采用FAN4810的500W功率因數(shù)校正電路

功率因數(shù)校正的工作原理
1功率因數(shù)的定義
功率因數(shù)（PF）是指交流輸入有功功率（P）與輸入視在功率（S）的比值。其可以用公式（1）表示。
              （1)
式中，I1表示交流輸入市電的基波電流有效值；Irms表示交流輸入市電電流的有效值；γ=I1/Irms，表示交流輸入市電電流的波形失真系數(shù)；cosφ表示交流輸入市電的基波電壓和基波電流的相移因數(shù)。

所以功率因數(shù)可以定義為交流輸入市電電流的波形失真系數(shù)（g）與相移因數(shù)（cosφ）的乘積，即功率因數(shù)PF主要由兩個因素決定：一是交流輸入市電的基波電流與基波電壓的相位差φ；另一個是交流輸入市電電流的波形失真因數(shù)γ。而傳統(tǒng)的功率因數(shù)概念是在電阻為線性負(fù)載，并假定輸入電流無諧波電流（即I1=Irms或交流輸入市電電流的波形失真系數(shù)g=1）的條件下得到的，這樣功率因數(shù)的定義就變成了PF=cosφ。

交流輸入市電的cosφ低，表示用電電器設(shè)備的無功功率大，供電設(shè)備的利用率低，供電設(shè)備的導(dǎo)線、變壓器繞組損耗大，降低了供電線路的使用效率。電流波形失真系數(shù)g值低，則表示輸入電流的諧波分量大而基波電流的幅度小，將造成輸入電流的波形畸變，對電網(wǎng)造成污染，嚴(yán)重時還會造成用電電器設(shè)備的損壞。

由于常規(guī)整流裝置使用非線性器件（例如，整流二極管或可控硅），整流器件的導(dǎo)通角小于180o，從而產(chǎn)生大量的諧波電流成分。而諧波電流成分不做功，只有基波電流成分做功，所以相移因數(shù)cosφ和電流波形失真系數(shù)(γ)相比，γ對供電線路的功率因數(shù)影響更大。

2 諧波電流對電網(wǎng)的危害
由于常規(guī)整流裝置（如二極管或可控硅等整流器件）的使用，使交流輸入電流波形中含有大量的諧波電流成分，大量的諧波電流倒流入電網(wǎng)（稱為諧波幅射：Harmonic Emission）會對電網(wǎng)造成“污染”，產(chǎn)生以下不利影響。

①諧波電流的“二次效應(yīng)”，即諧波電流流過線路阻抗而造成的諧波電壓降反過來會使電網(wǎng)電壓波形（原來是正弦波）發(fā)生畸變。

②過大的諧波電流會引起供電線路故障，從而損壞用電設(shè)備。例如，過大的諧波電流會使線路和配電設(shè)備過熱，還會引起電網(wǎng)LC諧振，或高次諧波電流流過電網(wǎng)的高壓電容，使之過電流、過熱而導(dǎo)致電容器損壞。

③在三相四線制電路中，三次諧波在中線中的電流同相位，導(dǎo)致合成中線電流很大，有可能超過相線電流，中線又無保護裝置，使其因過熱而引起火災(zāi)，從而損壞電氣設(shè)備。

④諧波電流對自身及同一系統(tǒng)中的其他電子設(shè)備會產(chǎn)生惡劣的影響，例如，會引起電子設(shè)備的誤動作和故障等。

3 功率因數(shù)與總諧波失真系數(shù)（THD）的關(guān)系
電路總諧波失真系數(shù)（THD）可以利用公式（2）來計算。
     （2）
方波電壓的各次諧波電壓的疊加分解圖（高至9次諧波）如圖1所示。

圖1  方波電壓的各次諧波電壓的疊加分解圖（高至9次諧波）

方波電壓可以用函數(shù)表達式（3）來表示。
(3)
由功率因數(shù)（PF）的定義：
及公式（2），有公式（4）成立。
 （4)
即，           （5)
從上面的討論可以看出，功率因數(shù)是和交流輸入市電電流的諧波成分有關(guān)的，利用總諧波失真系數(shù)和電流波形失真因數(shù)之間的關(guān)系式可以得到公式（6）。
     （6)
當(dāng)交流輸入市電的電壓、電流同頻和同相位時，有cosφ=1，相應(yīng)有公式（7）成立：
 (7)
對純正弦波電壓和電流而言，由于它的總諧波成分為零，所以波形失真系數(shù)為1，并且正弦波電壓和電流之間相位差φ為0，從而電源輸入側(cè)的功率因數(shù)就為1，如果正弦波電壓和電流之間相位差φ不為0，則電路的功率因數(shù)是他們相位差φ的余弦值。

當(dāng)φ=0時（為計算方便），功率因數(shù)與THD間存在如表1所示的關(guān)系?？梢?，當(dāng)THD≤5%時，功率因數(shù)可控制在0.999左右。

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4 功率因數(shù)校正實現(xiàn)方法
要提高功率因數(shù)，有兩個途徑：
① 使輸入電壓、輸入電流同相位，此時cosφ=1，所以PF=g。

② 使輸入電流正弦化，即Ii=I1（諧波為0），有I1/Ii=1，即PF=g×cosφ=1。

FAN4810的特點與應(yīng)用

1 FAN4810的技術(shù)特點
① 滿足UL1950要求的三重故障檢測（TriFault Detect）技術(shù)要求，增強了電路工作的可靠性；

② 擺率增強跨導(dǎo)誤差放大器可以滿足快速的PFC響應(yīng)；

③ 低功耗，啟動電流為200μA，工作電流為5.5mA；

④ 總諧波失真THD小，功率因數(shù)PF值高；

⑤ 工作于平均電流，電流連續(xù)（CCM）升電壓前沿PFC控制工作方式；

⑥ 內(nèi)部的電流前饋增益調(diào)制器可以改善電路的抗干擾特性；

⑦ 過電壓和交流輸入市電電壓過低保護，欠電壓鎖定輸出（UVLO）和軟啟動；

⑧ 同步時鐘輸出。

2  FAN4810的工作原理
FAN4810工作于前沿平均電流、電流連續(xù)（CCM）升電壓輸出工作模式，內(nèi)部的三重安全檢測技術(shù)可使電路免受由于某個電路元器件的損壞而使電路處于不正常工作狀態(tài)；柵極輸出驅(qū)動能力高達1A，因而無須外接功率MOSFET驅(qū)動電路；低功耗特性改進了電路的工作效率，并降低了元器件的損耗。FAN4810還具有峰值電流限制功能，利用內(nèi)部的交流輸入電壓過低保護和輸出過電壓保護電路，在輸出負(fù)載突變的情況下通過內(nèi)部的過電壓比較器可以關(guān)斷PFC電路的工作，輸出時鐘信號可用于同步下級PWM電路，以降低電路工作躁聲。FAN4810的引腳圖如圖2所示，其工作原理框圖如圖3所示，F(xiàn)AN4810引腳功能如表2所示。

圖2  FAN4810引腳圖

圖3  工作原理框圖

3 采用FAN4810的500W/PFC設(shè)計
下面介紹采用FAN4810的500W功率因數(shù)校正電路設(shè)計的有關(guān)方法，電路工作原理圖如圖4所示，該500W輸出電路的PFC輸出電壓為400VDC，輸出電流為1.25A，交流輸入市電電壓適應(yīng)范圍為90～264VAC。

圖4  采用FAN4810的500W有源功率因數(shù)校正電路的電路原理圖

①  500W/PFC電路技術(shù)指標(biāo)
　　輸出功率：500W
　　VMIN=80VAC（RMS）
　　VMAX=264VAC（RMS）
　　工作效率η=0.93
　　VO=400VDC
　　VO-MIN=300VDC
　　開關(guān)工作頻率fs=100kHz
　　保持時間THDL=20ms
　　THD（總諧波失真）=5%
　　dI紋波=20%紋波電流
　　交流輸入市電頻率=60Hz

② 功率回路元器件的選擇
FAN4810可用于任何工作于電流連續(xù)導(dǎo)通工作模式（CCM）下的PFC應(yīng)用場合，可以滿足IEC 3000-3-2的有關(guān)技術(shù)要求，下面介紹有關(guān)功率回路元器件（升電壓電感、輸出電容和有關(guān)功率開關(guān)器件）的計算方法。[!--empirenews.page--]

● 升電壓輸出電感參數(shù)的計算
FAN4810工作于電流連續(xù)導(dǎo)通工作模式（CCM）以降低峰值電流和提高可用的輸出功率。升電壓輸出電感參數(shù)與電流變化、高頻電流的峰峰值有關(guān)，電流變化??應(yīng)在最大電源市電輸入電流峰值的20%以內(nèi)。
              (8)
                    (9)

           (10)
式中，I_LINE_PK表示在電源市電供電電壓低時的輸入峰值電流；VMIN表示電源市電供電電壓低時的有效電壓值；PO表示輸出功率；η表示工作效率；參數(shù)I_LINE_PK將決定ΔI的取值；I_LMAX表示通過PFC電感的最大電流值；dI表示指定的電流變化百分比。

影響輸出升電壓輸出電感參數(shù)選取的其他因素是占空比D和開關(guān)工作頻率fs，占空比D的計算見公式（11），電感L參數(shù)計算見公式（12）：
             (11)
             (12)
● 濾波電容參數(shù)的選取
影響濾波電容參數(shù)選取的主要因素是保持時間（Thld），是指在電源供電斷開后電源輸出指標(biāo)仍在指定范圍內(nèi)的時間。供電斷開后，下級變換器的供電仍由濾波電容所存儲的電能Jthd供電，在保持時間內(nèi)濾波電容上的電壓逐步下降。

● 功率元器件的選擇
升電壓輸出二極管D1和PFC功率開關(guān)管Q1可以根據(jù)500V的額定值或大于400V的PFC輸出直流電壓的原則選擇。I_LMAX_PK=10.45A也是升電壓輸出二極管D1和PFC功率開關(guān)管Q1的峰值電流，具體的型號選取和PFC電路的應(yīng)用環(huán)境有關(guān)，例如，PFC電路的價位、通風(fēng)情況、散熱器的尺寸等因素有關(guān)。

PFC電路應(yīng)用要點
電路工作原理如圖4所示，通過電阻R13、R14對電容C15的充電，F(xiàn)AN4810的啟動過程就開始了。PFC開關(guān)管通過輸出升電壓電感L1對電容C5充電至400V，L1的輔助繞組通過D3、D4、C12和C16的整流濾波作用使FAN4810的VCC引腳得到+15V的穩(wěn)定供電電壓。為了使電路穩(wěn)定工作，需在FAN4810的VCC和VREF引腳加接高頻旁路電容，最好使用低等效串聯(lián)電阻（ESR）的瓷片電容或薄膜電容。在輸出升電壓功率開關(guān)管Q1導(dǎo)通前，應(yīng)確保通過二極管D2快速的將電容C5充電至交流峰值電壓，以確保PFC電路的啟動。電容C5上的直流電壓值應(yīng)確保大于輸入的交流輸入市電電壓的峰值電壓。Q4、R16和C20組成軟啟動電路，誤差放大器的輸出電壓VEAO通過Q4為電容C20充電，一旦電容C20上的電壓被充到VREF，Q4關(guān)斷，PFC電路的脈沖占空比正比于電壓VREF。當(dāng)VREF=0時，PFC電路的脈沖占空比為0。

圖5  工作效率和THD與輸出功率的特性曲線

圖6  經(jīng)功率因數(shù)校正后輸入的交流市電電流波形

采用FAN4810的500W有源功率因數(shù)校正電路的電路原理如圖4所示，電路工作效率和THD與輸出功率的特性曲線如圖5所示，經(jīng)功率因數(shù)校正后輸入的交流市電電流波形如圖6所示。