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1 概述

早期的功率因數(shù)校正技術(shù)(PFC)主要是靠無源器件電感、電容實現(xiàn)的，稱之為無源PFC技術(shù)。其方法是，在整流橋后面串接一個較大的電感，以改善濾波電容充電波形和增加電流的連續(xù)性，達(dá)到提高功率因數(shù)的目的。這種無源PFC技術(shù)雖然實施簡單，但是體積大，很笨重，效果也不理想，功率因數(shù)僅可校正至0.85左右[1]。

近年來，隨著微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，一種以boost變換器為主的有源功率因數(shù)校正器(APFC)得到了發(fā)展。這種APFC變換器大多工作于連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)，其工作原理是：采用多數(shù)入口乘法器(Multiplier)，取樣整流后的脈動波形，并和輸出電壓誤差放大器的誤差電壓相乘，經(jīng)電流調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)產(chǎn)生PWM波形，使經(jīng)過電感的電流按正弦規(guī)律變化，從而達(dá)到了PFC目的。這種校正方法可使電源的功率因數(shù)接近1，因此廣泛地應(yīng)用于電力電子設(shè)備中[2]。但是這種APFC技術(shù)由于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，較適合于較大功率容量的變流設(shè)備；而對于大量應(yīng)用的200 W以下的變流設(shè)備，就顯得不合適。

本文推出的以"電荷泵"(Charge Pump)校正原理設(shè)計的APFC電路，由于結(jié)構(gòu)簡單、制作方便，適合于較小容量的電子設(shè)備，有廣闊的應(yīng)用前景。

2 電荷泵功率因數(shù)校正技術(shù)

2.1 原理簡介

在普通的容性負(fù)載整流電路中，電流僅出現(xiàn)在正弦電壓的峰值附近，如圖1(a)所示。圖中，Vm表示輸入交流電壓波形，Im表示電流波形。其工作原理是：當(dāng)整流后的正弦電壓小于濾波電容兩端電壓時，整流二極管不導(dǎo)通，亦無電流流入。只有整流后牡繆勾笥諑瞬ǖ縟萆系牡繆故輩龐械緦鰲Ｋ�以灾o淙氳緶分�，给悼d莩淶緄牡緦韃渙�续，磦蝤市M湎轡揮氳繆共灰恢?jǐn)n�造硶瘭率因数详懙。染J�采取某些礀V�，使整流后悼姽栽懲诱幩波悼d萆系牡繆故幣燦械緦髁魅�，而菢I(yè)緦韉謀浠�规律和输葰杩姽波形一�?jǐn)n�就可提高其功率因数，稻U殺玫緶肪途哂猩鮮齬δ�；Imp表示經(jīng)電荷泵電路后的電流波形。

在電荷泵電路中，每次傳送的電量為：

Q=[V3一(V2一V1)]C3=(V3+V1一V2)C3 (1)

如果V3的頻率為f3，則傳送的電流(即輸入電流)I1為：

I1=(V3+V1一V2)C2f3 (2)

上式中，V3是V2經(jīng)開關(guān)變壓器和二極管產(chǎn)生的(參見圖4)。在不考慮變壓器初級電阻和二極管正向壓降的情況下，V2=V3。因此，式(2)可以變形為：

I1=VlC3f3=k·V1 (3)

由式(3)可見，這時輸入電流隨輸入電壓V1的正弦包絡(luò)變化，從而達(dá)到了功率因數(shù)校正的目的。

圖2給出了實際應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖。該圖中的電容C，整流橋BR和二極管D分別代替了圖1(b)中的C3，D1和D2。從結(jié)構(gòu)上講，該圖是一個標(biāo)準(zhǔn)的開關(guān)電源電路。圖中的電感L，快恢復(fù)二極管D和電容C既完成了電荷泵的功能，也構(gòu)成了一個能吸收由開關(guān)管T在開關(guān)過程中激起的尖峰電壓的緩沖電路。圖中，電荷泵是插入在BR，濾波電容Cp的正端和開關(guān)管T的漏極之間，如圖中虛線框內(nèi)所示。當(dāng)開關(guān)管T導(dǎo)通時，輸入電壓Vin經(jīng)BR整流后的電壓Vinr給C充電。當(dāng)T關(guān)斷時，C經(jīng)過D給Cp充電，從而完成"泵電"的過程。為了防止形成瞬時尖峰脈沖，串接了電感L。

下面簡述該電路吸收尖峰干擾脈沖的原理。變壓器的初級電感Lp，C和快恢復(fù)二極管D構(gòu)成了一個交流閉環(huán)回路。當(dāng)開關(guān)管關(guān)閉后，變壓器中儲存的能量開始釋放。由于交流閉環(huán)的存在，變壓器能量釋放形成的浪涌電流被旁路，并形成一個衰減振蕩。由于該振蕩的耗能作用，使得其振幅和頻率降低到電路可靠工作所能容許的程度。利用電荷泵電路完成緩沖功能的好處是既節(jié)省了電子元件；又使吸收過程中能量損耗極小，從而也提高了電源系統(tǒng)的效率。

這種APFC電路的突出優(yōu)點就是結(jié)構(gòu)簡單，通過對常規(guī)緩沖電路進(jìn)行合理調(diào)整，可以很容易變成具有PFC功能的高性能開關(guān)電源。由于電荷泵中的電容C提供了一個高頻通路，因此其效能可通過載波頻率而確定；也就是說，輸入電路的電流波形的相位可通過改變載波頻率來校正。

2.2 波形分析

下面用圖3波形對PFC電荷泵電路進(jìn)行分析，圖中的電壓、電流波形都是以輸入交流電壓為230 V測定的。

在t1時刻之后，由于D的續(xù)流作用，使初級電流Ip沿著Lp，C，D方向繼續(xù)流動，直至次級二極管導(dǎo)通，變壓器開始向次級放電為止(t2時刻)。在此期間，由于Ip的存在，使Vt繼續(xù)攀升，直至Ip等于零的瞬間，Vt穩(wěn)定在600 V。在整個的放電區(qū)間(t2～t3)，IL逐步減少，但Vp維持原電壓不變。

在功率管導(dǎo)通的t0～t1間隔內(nèi)，是電感線圈L儲能的時間，該時間間隔△T越大，L中儲存的能量越多，電流的值亦愈大�？刂啤鱐的因素有2個：一是次級負(fù)載，他和△T成正比關(guān)系；2是輸入回路的電壓值，成反比關(guān)系，也就是說輸入電壓越低，△T的值越大。在△T期間"電荷泵"中電容器C的充電電流Ic也逐步增加，流向和圖2所標(biāo)的方向相反，構(gòu)成功率管漏極電流的一部分，如圖3所示。

當(dāng)主回路輸入電壓接近其包絡(luò)峰值時，在功率管導(dǎo)通時間間隔t3～t5內(nèi)的t4時刻，由于充電電壓的升高，Vp已經(jīng)達(dá)到其最大值，IC在此時刻停止流動，使It瞬時下跳，其值約等于IC的上跳值，參見圖3所示。此時由于電感電流IL的作用使二極管D導(dǎo)通，IL直接給CP充電。在t4～t5期間，由于LP的作用，It再次繼續(xù)上升；由于沒有IC的反向分流作用，It上升斜率略低于t3～t4時刻。在t5時刻，功率管關(guān)閉，其后波形變化規(guī)律同于t2時刻。這一變化規(guī)律與前者不同之處有2點：

(1)It出現(xiàn)2次峰值，t4時刻峰值電流為It(t4)=Ip(t4)一IC(t4)>IP(t4)，式中I4(t4)為負(fù)值(見圖3)，另一個峰值為IL(t5)=IP(t5)。

(2)在此期間，IL不再每個周期歸零，即進(jìn)入階段性連續(xù)電流狀態(tài)，這種狀態(tài)只有在Vin幅度較大時發(fā)生。

值得一提的是，該電路中的電感線圈L即使飽和，也不會形成大的充電電流，這主要是由于電容器C對充電電流有限制作用的原因，而且VCP一般都高于輸入電壓Vin峰值，有效地限制了整流橋的沖激電流，從而也提高了電路的可靠性。

3 電路設(shè)計

圖4給出了一個實際電路。該電路使用Infineon公司最新推出的TDAl6846芯片。設(shè)計的電源電路具有"電荷泵"完成的APFC功能，其工作原理同于前述。電路輸入電壓在220 V±15％范圍，功率可在300 W以下，具有待機(jī)省電功能，可廣泛地應(yīng)用于彩電、監(jiān)視器等設(shè)備的開關(guān)電源。該電路在設(shè)計方面具有如下優(yōu)點：