新型降壓PFC與CRM升壓APFC的性能比較研究

林 偉，任重遠

(武漢理工大學自動化學院，武漢 430070)

引言

臨界導電模式（CRM）升壓APFC是小功率場合最常用的解決方案，其控制簡單，PF值高，效率高，但輸出電壓高，這個高電壓不僅增加了開關損耗，還為后級電路變壓器的尺寸設計帶來不利影響[1]。傳統降壓PFC的最大優勢在于其輸出電壓較低，但是當輸入電壓低于輸出電壓時必然導致輸入電流斷續，使電路不能正常工作，這是降壓PFC應用的最大障礙，本文分析了一種新型降壓PFC電路，該電路能夠很好地解決這個問題[2]。

在此，重點分析了兩種電路的工作原理，設計了兩款小功率功率因數校正器，并在閉環條件下對兩種電路進行了時域分析和應力分析，獲得了效率、PF值、THD等參數，最后實驗驗證了該新型降壓PFC電路在小功率范圍內的效率優勢。

1 兩種電路的工作原理分析

圖1 給出了CRM升壓APFC電路原理圖及電感電流波形。當檢測電路檢測到開關管源極電流為零時，驅動開關Q導通，電感電流斜升，當電感電流達到峰值時，檢測信號達到控制器內部比較器的Vref的電平，于是關斷開關Q，電感電流斜降，當電流為零時，整個過程結束。

圖1 CRM升壓APFC電路原理圖及輸入電流（電感電流）波形

對于給定的參考信號，導通時間Ton是恒定的，其表達式為：

式中：L為電感值；Pin為輸入功率；Vac為輸入線電壓。

輸入電流表達式為：

式中：Po為輸出功率；η為效率；ω為角頻率。

圖2 給出了一種新型降壓PFC電路原理圖及輸入電流波形，該電路和傳統降壓PFC相比，區別在于，在整流二極管旁并聯了電容，通過這種連接，輸入電路能夠通過電容總是和直流母線相連接，使輸入電流斷續的情況得到了改善[4]。其控制回路原理和CRM升壓電路相同，這里不再贅述，將重點分析其輸入電流保持連續的原因。

圖2 新型降壓PFC原理圖及輸入電流波形

將交流輸入的半個周期平均劃分為三個子周期：（1）子周期ⅰ（0

輸入電流表達式[5]

式中：D為占空比；Vo為輸出電壓；Vac為輸入交流線電壓；L為電感量；ω為角頻率。

2 兩種電路的仿真分析

兩種電路在下列條件下進行比較：（1）線電壓：110～230 Vac；（2） 升壓拓撲輸出電壓 400 V， 降壓拓撲輸出電壓 80 V；（3）輸出功率 80 W，升壓APFC參數為：電感L=0.7 mH，輸出電容Co=47 μF，最低開關頻率25 kHz；降壓PFC參數為：電感L=95 μH，輸出電容 Co=1 000 μF，輔助電容 Ca(C1～C4)取300 μF， 開關頻率 100 kHz。 電感磁芯均采用PQ2620，3C8材質。開關管均采用SPW20N60S5模型 (Rds=0.19 Ω)，二級管均采用BYV26C模型。

2.1 時域分析

在輸入110 V滿載條件下應用saber對兩種電路進行閉環仿真，圖3顯示了兩種電路達到穩態時，輸出電壓及紋波情況。

2.2 應力分析

應用saber對兩種電路的開關管和二極管進行應力分析，報告見表1。

圖3 110 V滿載時輸出電壓及紋波

表1 主要器件應力分析報告

2.3 仿真結果分析

圖3 和表1反應了110 V滿載時兩種電路輸出電壓、紋波以及器件應力分析結果。而THD，PF等參數則需在時域分析的基礎上進行傅里葉分析得出，效率則根據時域分析結果采用Mathcad計算得出。CRM升壓APFC電路采用固定電壓輸出，為直流高壓400 V。電壓紋波率保持在5%以下。而降壓PFC輸出低于80 V，且電壓紋波率控制在10%以下。CRM升壓APFC電路輸入電流平均值大于降壓PFC電路，故其整流橋損耗大于降壓PFC。它的電感量遠大于降壓PFC電路，最小開關頻率值低于降壓PFC電路的固定開關頻率，導致其匝數多于降壓PFC電路，從而增加了導通時的磁芯損耗。CRM升壓APFC電路的開關管Q承受的電壓應力大于降壓PFC電路，但因其導通無損耗，使開關管的損耗低于降壓PFC。總體上，CRM升壓APFC電路的損耗大于降壓PFC，其效率必然低于降壓PFC。

3 實驗結果

輸入為110 V滿載時，兩種電路的輸入電壓及電流波形如圖4和圖5所示。

圖4 110 V滿載降壓PFC輸入電壓與電流波形

圖5 110 V滿載升壓APFC輸入電壓與電流波形

滿載時輸入電壓與效率的關系如圖6所示，圖7反應了輸入110 V時輸出功率與效率的關系。

圖6 滿載時輸入電壓與效率關系

圖7 輸入110 V時輸出功率與效率關系

圖8 輸入110 V時輸出功率與THD關系

圖9 輸入110 V時輸出功率與PF關系

高功率因數與低電流諧波是一致的，但是他們之間沒有直接的關系。圖8反應了輸入110 V時輸出功率與THD的關系。而圖9反應了輸入110 V時輸出功率與PF的關系。

4 結論

實驗證明該新型降壓PFC電路能解決輸入電流斷續問題，且輸出電壓紋波、MOSFET管、二極管等應力明顯低于CRM升壓模式。在輸入130 V以下效率最大可高于CRM升壓0.4個百分點，在輸入220 V范圍低于CRM升壓0.6個百分點。在輸入110 V，80 W范圍內效率平均高于CRM升壓1.89個百分點，THD較CRM升壓平均高0.4個百分點，PF較CRM升壓平均低0.05個百分點。綜合考慮效率、器件應力等因素對后級電路的影響，該電路在低壓小功率范圍內較CRM有明顯優勢，但是其THD等參數明顯劣于CRM升壓APFC電路，有待進一步提高。

[1]Joel Turchi.功率因數校正（PFC）手冊[G].安森美半導體,2004:21-22.

[2]Y Moril,Keijiu Matsui,Masaru Hasegawa.A Novel PFC Buck Chopper for Single-phase with Single Swtching Device [A]. In: Electrical Machines and Systems International Conference.Tokyo,2009:1-6.

[3] Jianyou Yang, Junming Zhang, XinkeWu，et al.Performance Comparison between Buck and Boost CRM PFC Converter [A].In:Controland Modeling forPower Electronics on the 12th Workshop.Boulder,2010:1-5.

[4]L Solero,V Serrao,M Montuoro,et al.Low THD Variable Load Buck PFC Converter[A].In:Power Electronics Specialists Conference.Rhodes,2008:906-912.

[5]賁洪奇.開關電源中的有源功率因數校正技術[M].北京：機械工業出版社,2010:5-6.