通常在电路中,整流器后会接一个大容量的滤波电容 Co,它会使得整流器输出的电压保持平稳。但当功率因数校正电路加入后,我们就可以去掉这个大电容了。在这种情况下,整流器输出的电压会按照正弦波的形状上下波动,而功率因数校正电路(PFC电路)会把这种变化的电压转换成一个恒定的直流输出电压。
为了实现功率因数校正,通常使用带脉宽调制(PWM)的升压变换器(Boost变换器)。在整个正弦波的一个半周期内,Boost变换器的导通时间由PWM控制芯片来调节,使得输入电流变成正弦波形状,并同时获得一个比输入正弦电压峰值更高的稳定直流电压。
具体来说,PFC电路用一个小容量的电容来取代原来大容量的输入滤波电容,这样可以让整流后的输出电压在输入正弦波的零点附近下降到零。这就意味着,电网的电流可以连续流通并且保持正弦形状,而不再是以前那样的窄脉冲电流。通过这种方式,PFC电路的第一个任务就是使用Boost变换器将变化的输入电压转换成一个稳定的直流输出电压。
Boost变换器是如何工作的呢?Boost 变换器可以将低电压提升为较高的电压。其工作原理是,在周期内开关管Q1 导通一段时间,电感L1储能。当Q1关断时,L1的极性颠倒,L1同名端的电压Vo上升到高于输入电压 Vin。Q1关断时,在To期间存储在L1的能量通过D1传送给负载和电容Co这种Boost 变换器的输入-输出电压关系式为下式。
在整个正弦电压半周期内,Boost变换器的导通时间由PFC控制芯片调节,这个芯片会检测输出电压 Vo并将其与内部基准电压进行比较。通过负反馈,芯片调整 Q1的导通时间,确保输出电压Vo保持稳定。
PFC电路的第二个任务是确保输入电流的波形与输入电压的波形同步。为此,PFC控制芯片会实时监测输入电网电流并与一个基准正弦波电流进行比较。通过计算两个正弦波之间的误差,芯片会生成一个误差电压,这个电压用来调节Boost变换器的导通时间,使输入电流的波形和相位与输入电压的波形和相位相同。这样,输入电流和电压就保持同步了。最终,这要求PFC电路需要一个能同时调节电压和电流的控制机制,通常是通过一个实时的乘法器来实现。这个乘法器的输出与电压和电流环路误差电压的乘积成正比,确保系统达到最优的功率因数。