【鐵殼大大的電力電子教室】CCM PFC 適用於大功率1KW連續電流模式功率因數校正器的電感設計

前言:
隨著資訊與科技的快速成長,人們對於電力的需求也愈來愈高,相對地使得人們開始重視電力供需的品質。電力系統供電時隨著負載側阻抗特性之不同,可能導致輸入側之電流產生相位移或畸變,因此必須加入功率因數修正器(Power Factor Corrector,PFC),使得電源輸入電流維持正弦波形並與電源電壓同相位,進而提高有效功率的利用、降低輸入突波電流與抑制輸入電流諧波成份。

在交流/直流轉換器中功率因數(Power Factor,PF)是一項最主要的考量,因為功率因數與電源性能有著密不可分的關係,良好的功率因數具有可充份利用電源的設備容量、降低峰值電流、抑制諧波成份及延長直流側濾波電容壽命等優點。



被動式功率因數修正器
早期功率因數修正電路是以加入電感、電容或兩者混合,稱為被動式功率因數修正電路。然而為了抑制低頻諧波量,電感、電容等被動元件的體積和重量讓產品難以小型化,而且造成系統整體效率嚴重下降,無法符合現今對於輕、薄、短、小、高效率及高功率因數等要求。因此,利用高頻電力轉換器實現主動式功率因數修正電路已是必然之趨勢。

被動式功率因數修正器是在輸入端加入電感、電容等被動元件來改善電流波形,如圖1所示,以提高功率因數。利用被動元件改善功因的方法有以下的缺點:

(1)被動元件體積與重量龐大。

(2)低階諧波較大,因此PF值較低。

(3)電流峰值較高,易造成交流電流失真。

(4)濾波器對不同之負載所產生的效果不同。

(5)輸入之峰值電流較大,因而使效率降低。


圖一 被動式功率因數修正器




主動式功率因數修正器之架構
主動式功率因數修正是利用控制電路上的主動式開關,使輸入電流能跟隨輸入弦波電壓波形,而不是一種高突波電流形式。主動式功率因數修正器大部分使用升壓型架構如圖2如示,主要原因為升壓型轉換器具有眾多優點,但是也是有其缺點,
其優缺點比較如下:
(1)電感在輸入端,可抑制輸入電流突波。
(2)功率開關非浮接,因此驅動電路容易設計。
(3)電感電流即輸入電流,易於實現電流模式控制。
(4)電感與電源直接串聯,輸入電流連續,電磁干擾較小。
其缺點為:
輸出電壓為高壓,因此二極體及功率開關耐壓需較大。


圖二 主動式功率因數修正器
 

而針對輸出大於300W的應用,建議使用CCM(continue Current mode) PFC,可有效降低功率元件的應力,而CCM PFC 最重要的儲能電感,往往是R&D 最頭痛的問題,筆者經多年設計經驗,提供一個設計的參考守則。

範例:
Vac=90Vac~264Vac
Vo=400V
Po=1KW
Io=2.5A
Q晶體一般工作頻率fsw設定為:70KHz
Iin ripple %:輸入電流漣波百分比:一般設定為40%

可先前期計算出重要指標參數
(1):輸入電流峰值,Iin_pk
Iin_pk=1.414*(Po/Vac_min)=15.71A

(2):輸入電流最大漣波峰對峰值,Iin_delta
Iin_delta=Iin_pk*Iin ripple %=6.28A

(3):Q晶體工作責任周期Duty,D
D=(Vo-1.414*Vacmin)/Vo=0.68

主電感L可由下列公式計算得知:

L=D*(1-D)*Vo/(Iin_delta*fsw)=197uH




 

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