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PFC架構的加入,可有效提高電網利用率

海明觀察 ? 2021-09-17 09:34 ? 次閱讀
電子發燒友網報道(文/李誠)近年來,新能源汽車、超充樁、氮化鎵快充等概念大火,對電力需求提高。工程師們不斷優化電路方案,以實現更高的系統效率和更快的系統響應速度,減少元器件的用量,降低產品成本。現在很多電源適配器電源管理模塊的電路拓撲中都加入了PFC電路架構以提高系統效率。

PFC電路作用及特點

PFC(功率因素校正),其主要作用是表示實際有效功率和總耗電量的關系,PFC值表示電力被有效利用的程度,PFC值越高,代表電能被有效利用率越高。PFC電路一般會設計在電源開關電路中,提高功率因素,減小無功功率的損耗,從而達到提高電網利用率的效果。
公式:功率校正因素=有效功率/總耗電量

PFC電路主要分為主動式PFC和被動式PFC。主動式PFC也可稱有源PFC,其電路主要特點為體積小、功率因素高、輸出直流電壓紋波小、濾波電容少。主動PFC是通過PFC控制器對電流波形進行調制及相位補償,功率因素最高可達98%以上。使用了主動電路PCF電路的電路無需再添加待機變壓器在電路中,可有效減小設備體積。被動式PFC也可稱為無源PFC,被動式PFC的功率因素低于主動式PFC,被動式PFC功率因素一般在0.7~0.8之間。主要是通過電感補償的方式來減小相位差提高功率因素。在制造成本方面主動式PFC的成本較高。為實現電網利用率達到最高,往往采用主動式PFC電路。想要達到更高的功率因素主要還是看PFC控制芯片的性能。下文將對幾款PFC芯片進行講解。

ST 基于BCD 60II技術的PFC控制芯片

(ST L4981 PFC控制器電路拓撲 圖片來源:ST官網)

L4981系列是意法半導體基于BCD 60II技術的PFC控制器芯片,該系列芯片可實現高達99%的功率因素,并且內部集成了高效的電源效率控制功能,L4981可用于主電源電壓在 85V 至 265V 電壓之間的系統中,無需任何線開關,且可在-40℃~125℃的環境溫度下正常工作。 L4981系列提供了兩款PFC芯片,L4981A為固定頻率,L4981B為線性調制頻率,并對濾波器的大小進行了優化,固定頻率平均電流模式和線路調制頻率平均電流模式分別與PWM 控制器配合使用,無需坡度補償即可保持正弦線電流。在內部功能集成方面,除了內集成電源 MOSFET 門驅動程序外,還集成了誤差放大器、欠壓鎖定、電流傳感器及軟起動,為了外圍電路更為精簡,還集成了電流保護和電壓保護等功能,可通過調制L4981A電阻的大小來提高過流保護等級。L4981A采用外部隔離能更好的提高精度。

MPS CrM/DCM 多模式 PFC 控制芯片

(MP44018A PFC控制器電路拓撲 圖片來源:MPS官網)

MP44018A 是一款CrM/DCM 多模式 PFC 控制器,該 PFC控制器可應用于85V~305V的電壓網絡中,在-40℃~125℃的環境溫度下工作對芯片造成影響不大。MP44018A內部集成度高,外圍電路元器件較少,電路簡單。在輕載狀態時功率因素為50%,在負載狀態時功率因素達95%以上。由于該PFC控制芯片的供電電流較小,僅為2.1mA,在待機狀態下可實現低于30mW的待機功耗。為提升輕載效率,MP44018A在輕載狀態下采用了延長死區時間的方法來降低開關頻率。與傳統固定的死區時間相比采用可調整死區時間的方法,可實現更低的總諧波失真。在降低開關損耗方面該PFC控制芯片還采用了谷底導通的方式,使開關損耗最小化。MP44018A為提高系統可安全性、可靠性,在芯片內部集成了過壓保護、限流保護、過流保護、欠壓保護、使能進入和欠壓退出(BI和BO)、過溫保護等保護功能。

連續導通模式(CCMPFC 控制芯片

(ICE3PCS01GPFC控制芯片電路拓撲 圖片來源:英飛凌官網)

ICE3PCS01G是一顆采用了BiCMOS技術的第二代連續導通模式PFC控制芯片,該PFC控制芯片可在85V~265V較寬范圍的交流電網中使用,在負載狀態下功率因數可達90%以上,內部集成了升壓轉換器,可在連續導通的模式下工作。該芯片內部電路采用內部電流回路和外部電壓回路分級聯控的方式。它利用PWM占空比對線路輸入電壓的依賴性來確定相應的輸入電流。在輕負載條件下,系統可不進入連續導通模式(DCM),從而避免產生更高的諧波。外部電壓回路控制著輸出最大電壓,并在芯片內進行數據處理,根據負載條件將內部PI補償轉換為適當的直流電壓,以控制輸入電流的振幅。該PFC控制芯片還集成了很多保護功能,如欠壓鎖定、過壓保護、欠壓保護等,以確保設備能安全穩定的運行。

總體來說,通過以上三款芯片的比較,ST的 L4981系列最為出色,功率因素達到了99%以上,將無功功率最小化,電路中使用這款PFC控制芯片,可有效降低電路損耗。

總結

自從IEC61000-3-2標準頒布生效后,眾多廠商在生產電器時都會考慮到功率因素的問題,是否需要在電路中加入PFC電路,PFC電路能有效的減少電源無用功率,提高電網電力的利用率。


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