PFC电路的双闭环控制

PFC的英文全称为“Power Factor Correction”，意思是“功率因数校正”，功率因数指的是有效功率与总耗电量（视在功率）之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量（视在功率）的比值。 基本上功率因数可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因数值越大，代表其电力利用率越高。

功率因数是用来衡量用电设备用电效率的参数，低功率因数代表低电力效能。为了提高用电设备功率因数的技术就称为功率因数校正。

PFC 基本电路及控制机理

开关电源的功率因数定义为输入有功功率与输入视在功率的比值 ，而一般的整流滤波电路只在输入电压的峰值处有脉冲电流 ，即只在输入电压的峰值处获得电能 ，这种脉冲电流含有大量的谐波分量 ，它们产生大量的无功功率 ，导致设备的功率因数很低 ，一般在 017 以下 ，功率因数校正电路的基本原理就是使设备在整个正弦周期内获得电能而不是局部 ，并且通过调整周期内能量的分布使得输入电流呈与输入电压同相的正弦波形 ， 图 1 是功率因数校正基本电路。

基本 PFC 电路的核心是电流控制环 ，它由一个电流误差放大器 ，一个 PWM 比较器 ，一个乘法器以及高频提升电路组成 ，它迫使输入电流跟踪输入电压波形而呈正弦波形。

电流 IPR （它正比于输入整流电压） 和误差放大器输出电压 VEAOU T在乘法器中相乘 ，产生电流 IMO ，通过电阻 Rc ，在其上产生一个电压 ， （它具有与输入整流电压相同的波形） ，输入电流 IL 通过取样电阻 RS 产生一个电压 VS ，它与 RC 上的电压相减后加在电流误差放大器的输入端 ，由于电流环是无差的 ，它必将迫使 RC 和 RS 上的电压差等于 0 ，即迫使主回路电流跟踪输入整流电压的波形 ，呈正弦波整流波形 ，因而输入电流就呈正弦波形 ，这一结果的实现是靠 PWM 开关电路来完成的 ，电流误差放大器输出电压与一个三角波电压在 PWM 比较器中比较后产生一个 PWM 触发脉冲 ，去驱动 MOSFET ，脉宽调制的高频开关电流在提升电感 L 的作用下全周期向负载提供电能 ， 而不是象普通整流电路那样 ，只在电压峰值时提供电能。

有代表性的 PFC 产品是 UNITRODE 公司的 UC3854 和 MICROLINEAR 公司的 ML4821 ，后来又出现软开关型控制芯片 UC3855 和 ML4822。从控制系统的角度来看 ，这些控制芯片组成的 PFC 电路都不外乎是一个电压 - 电流双闭环控制系统 ， 其中包含一个关键部件 ———模拟乘法器。

2 电流控制环

双闭环控制系统的内环是一个电流控制环 ， 它由电流调节器、PWM 比较器和功率转换电路组成 ，其作用是迫使输入电流跟踪输入电压的波形。可导出电流环结构图如图 2 所示。

可见这是一个二阶无差系统 ，它可以无差地跟踪正弦波输入函数 ，从而使输出电流 IL 无差地跟踪 LMO的波形。

3 电压控制环双

闭环控制系统的外环是一个电压控制环 ， 其作用是使输出电压保持在高于输入电压峰值的电平上 ，这是 PFC 所必需的 ，并且可以起到稳定输出电压的作用。

包含电流环 ，乘法器在内的电压环结构图如图 4 所示。

前向通道传递函数 ： GVOL 由于电流环是无差的 ，

得电压环结构图如图 5 所示。

PFC 芯片中都有一个电压放大器 VA ，由它组成如图 6 所示的积分调节器。

可见 ，这是一个一阶无差系统 ，它可以无差地跟踪单位阶跃函数 ，因此 ，对于给定 VREF （定值） ， 输出是稳定不变的。

4 乘法器

乘法器是 PFC 芯片中一个关键部件 ， 在 ML4821 中 ，乘法器输出 IMO为

电流环的给定 ，使系统既跟踪输入电压波形又稳定输出电压。由电流环可知 ， IL 无差地跟踪了 IMO ，而 IMO中含有 VEAOU T和 ISINE的乘积且 ISINE = VIN/ RL ，故 IMO与输入整流电压 VIN波形相同 ， 因此 ，输入电流 IL 具有与 VIN相同的波形。

另一方面 ，由 （ 10） 式可知 ，引入乘积项 1/ V 2 RMS可抵消输入电压 V 2 RMS对 GVOL的影响。

5 结束语

本文给出了 PFC 电路的双闭环结构图及各环节的传递函数 ，对于一个具体的实际 PFC 电路 ，可用传统的控制系统设计方法进行设计 ，笔者用 ML4821 设计了一个 3 Kw 的 PFC 整流器 ，效果良好。