有源功率因數校正APFC之電路應用分析

摘 要：近年來集成電路控制的有源功率因數校正（APFC）技術成為提高功率因數行之有效的方法，本文主要介紹了有源功率因數校正電路（APFC）的工作原理，并基于L6562芯片設計了一種實際應用的有源功率因數校正電路，分析了該電路的工作原理，著重說明了L6562外圍電路的參數選擇與設計，與以前采用的功率因數補償電路相比較，該電路簡單，功率因數補償效果顯著，電流的總諧波失真（THD）小于10%，功率因數可以大幅提高到0.99以上；一個設計良好的APFC應用電路，能達到延長電氣產品壽命、減少用電設備對電網的干擾、提高用電效率的目標。

關鍵詞：功率因數 有源功率因數校正 L6562 電路應用

中圖分類號：TM712 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）01（b）-0093-04

傳統的AC-DC電源轉換電路，一般由抗電磁干擾EMI電路、整流橋整流后電解電容濾波組成。為保證需要的穩定的直流電壓，采用大容量的電解電容，導致流經整流二極管的電流非典型的正弦波而是斷續導通，形成大量的多次諧波，導致交流電網電壓畸變。隨著大功率電子設備及產品的廣泛使用，電網受到諧波電流和諧波電壓的污染日益嚴重，功率因數低，導致電能利用效率降低。

功率因數校正電路，又根據英文名稱簡稱為PFC（Power Factor Correction）電路，采用設計良好的PFC電路，可提高整個電路的功率因數，進而有效提高電網的供電質量，改善用電設備的用電環境，保障設備的使用安全及提高設備的使用壽命，并可節約電能，減少電費開支。同時可減少電網的功率損失，提高電網的輸電效率。

1 功率因數校正電路的技術發展

以前通常采用無功補償﹑無源﹑有源濾波器等方法改善電網環境。傳統的功率因數校正方法，為縮小電源輸入的電流波形與電壓之間相位差，通過外加合適的感、容元器件，可提升功率因數到0.7～0.8。改進的PPFC功率因數校正電路稱為無源功率因數校正，其特點是利用整流橋后面的PPFC電路來大幅度增加整流管的導通角，使輸入電流從尖峰脈沖變為接近于正弦波的波形，功率因數能提高到0.9；與傳統的電感式無源功率因數校正電路相比，其優點是電路簡單，功率因數補償效果顯著，并且在輸入電路中不需要使用體積大重量沉的電感器件。但也存在著整流輸出電壓隨電網電壓波動而波動，影響產品的性能和壽命，以及電路中總體諧波含量仍較大的問題。

近年來，集成電路控制的有源功率因數校正（APFC）技術成為提高功率因數行之有效的方法，有源功率因數校正電路可以很好的解決以前功率因數矯正電路存在的問題，電流的總諧波失真（THD）可以小于10%，功率因數可以大幅提高到0.99以上，因而在越來越多的產品中得到應用。

2 帶有APFC電路的直流電源

2.1 帶有APFC電路的電源功能框圖如下

有源功率因數校正電路產品中，輸入電源通過EMI電路濾波、橋式整流后，通過有源功率因數校正電路后升壓為380V左右的直流電壓，為電氣設備的應用電路提供各種穩定的直流電源。

2.1.1 APFC功率因數校正電源電路

下圖2為APFC功率因數校正電源電路的拓撲結構圖，使用典型的BOOST升壓型開關電路。

3 L6562的功能介紹

3.1 L6562的芯片電路結構

目前普遍使用的APFC集成電路很多，主要是美國國際整流器公司（International Rectifier）IR的MC33262、意法半導體公司（ST）的L6561/L6562等。現就ST公司的L6561/L6562的應用進行說明，該IC內部框圖如下。

3.2 L6562的引腳及其引腳說明

3.3 L6562功能說明

3.3.1誤差放大器及過壓檢測模塊（見圖5、圖6）

集成電路1腳INV為誤差放大器的反相輸入端，PFC輸出直流電壓通過電阻分壓后，反饋的分壓電壓加到這個引腳，通過該引腳與內部的誤差放大器（-）端相連，誤差放大器（+）端接基準電壓2.5V。誤差放大器通過比較輸出反饋信號電壓和基準電壓，同時將差值信號放大后通過控制開關管通斷維持輸出電壓穩定。 IC 2腳COMP是誤差放大器的輸出引腳。該引腳和1腳INV之間連接一個補償網絡，確保電壓控制環路的穩定性，以獲得高功率因數和整個電路較低的整體諧波含量THD.， IC 1腳同時具有過壓檢測功能。輸出電壓瞬態過壓時，連接到1、2腳之間補償電容的由瞬態電流增大，電流到37uA時，通過乘法器控制降低開關管打開時間以減少輸出電壓數值。如果輸出電壓異常偏高，導致該電流超過40uA時，1、2之間電容通過電流比較器檢測后關斷開關管，確保輸出電壓不出現過壓的異常狀態。

3.3.2 零電流檢測和觸發模塊（見圖7）

過零電流采樣信號由升壓變壓器上二次繞組產生。當升壓變壓器繞組內電流接近零時，觸發IC內部MOSFET驅動電路，驅動開關管MOSFET導通。

3.3.3 乘法器模塊 （見圖8）

整流橋整流后電壓通過分壓電阻分壓后加到3腳，用于為乘法器輸入端提供正弦波參考信號，乘法器的另一輸入端接誤差放大器的輸出信號，乘法器輸出的波形為整流過的正弦波。通過連接在開關管MOSFET源極S與GND之間的電阻RS檢測流過開關管MOSFET的電流，該檢測電壓信號連接到4腳，與IC內部乘法器產生的正弦波信號相比較后，決定MOSFET的關閉，控制開關管的峰值電流。

3.3.4 電流比較器和PWM鎖存器及開關管保護功能（見圖9）

通過連接在開關管MOSFET源極S與GND之間的電阻RS檢測流過開關管MOSFET的電流，信號通過腳4加到電流比較器，通過和乘法器的輸出信號進行比較，來決定外部MOSFET的關斷時間。為避免干擾，將比較信號進行鎖存。同時乘法器的輸出信號端連接有1.7V的穩壓管，當取樣電阻RS上的電壓超過1.7V時，直接關斷開關MOS管，起到保護開關管的作用。

3.3.5 開關管MOSFET 驅動模塊（見圖10）

集成電路IC7腳為開關管驅動腳，該端高電平時開關管導通，低電平時，開關管截止。

4 ST L6562的實用電路設計

4.1 實用電路圖

4.1.1電路說明

上圖是L6562的實用電路，220VAC市電經過電容CX1、CX2與共模電感T1組成的EMI電路后，通過整流橋BD1整流，整流后通過主要由升壓變壓器T2、PFC IC U1（L6562）、開關MOS管M1、升壓二極管D2組成的APFC電路及電解電容C18濾波后輸出400V直流電壓為后面應用電路提供穩定的400V直流供電。

4.2 L6562外圍電路基本參數設計說明：

4.2.1 IC供電電壓

電路通過L6562的8腳VCC為集成電路提供15V左右的直流工作電壓，該直流電壓通過IC內部的電壓調節器為芯片內部供給所需電壓。Vcc的提供可采用兩個方法。一可以通過升壓變壓器的零電流取樣繞組提供。二可以通過直流400V應用電路。所提供電壓通過15V穩壓管D1穩壓，確保集成電路L6562電源電壓的穩定。

4.2.2正弦波波形取樣電路

通過整流橋整流后的電壓通過電阻R11A、R11B、R11C、R12組成的分壓取樣電路，在電阻R12形成正弦波波形取樣電壓信號，該信號通過電容C12抗干擾濾波后接入L6562的3腳（MULT）。分壓電路設計中，因每個SMD0805貼片電阻最大耐壓150V，使用R11A、R11B、R11C三個貼片電阻，確保分壓電路安全可靠。

4.2.3電流過零檢測電路

當升壓變壓器繞組內電流接近零時，升壓變壓器內電流過零檢測是通過升壓變壓器的二次繞組采樣后，經過電阻R16送到U1 L6562的5腳（ZCD），觸發IC內部MOSFET驅動電路，驅動開關MOS管M1導通。

4.2.4 開關MOS管電流檢測

電阻R29用于檢測開關MOS管電流，MOS管電流大小通過該電阻后，產生檢測電壓輸送到U1（L6562）4腳（CS），通過IC內部乘法器產生的信號比較后控制開關管M1關斷。

4.2.5輸出電壓反饋電路

電阻R21與電阻R18A～D構成輸出電壓分壓采樣電路，R21上的輸出采樣電壓直接加到U1（L6562）1腳（INV），通過U1內部電路將輸出電壓維持在穩定的400VDC。

分壓電阻根據以下公式進行設定：

如根據設計需要更改輸出電壓數值，可參照以上公式進行參數變更。為保證產品耐壓，R18A～D 設計中使用4個SMD0805貼片電阻，如更換為SMD1206貼片電阻，數量可以使用3個。

4.2.6 反饋補償電路網絡

U1（L6562）2腳（COMP）和1腳INV之間連接一個C2（1uF）作為誤差放大器輸出端與輸入端之間反饋補償，用于維持電路的穩定性。不同功率的電路，可通過調整反饋電容容量，確保電壓控制環路的穩定性及獲得高功率因數和整個電路較低的整體諧波含量THD。對于功率大于100W的電路，可在C2兩端并聯一阻容網絡更好的改善電路的功率因數。

5 結語

以上是對有源功率因數APFC應用電路的基本分析，一個良好的APFC電源電路，需要參照選用的集成電路要求進行綜合設計。設計良好的APFC電路，最終能達到延長產品壽命、減少產品對電網干擾、提高用電效率達到節能的目標。

參考文獻

[1]毛興武，祝大衛.功率因數校正原理與控制IC及其應用設計[M].北京：中國電力出版社，2007：：15-67.

[2]芯片資料：L6562 TRANSITION-MODE PFC CONTROLLER，ST CORPORATION DATASHEET

[3]芯片資料：L6561POWRE FACTORCORRECTOR，ST CORPORATION DATASHEET