详细讲解单级PFC反激式电路.docx资源-CSDN文库

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详解单级 PFC 反激电路

近段时间一直忙着弄毕业论文，上论坛比拟少了，前两天论文提交送审，打算发一个帖子，详细介绍一下

单级 PFC 反激式电路结构。

  单级 PFC 的反激式结构相信做 LED 电源的都不会很陌生，但估计大多数工程师做的工作限于按照 IC

厂商的 datasheet 设计产品，其中详细的原理很少有人细究。考虑到工程应用中，复杂的公式实用价值

不高，本贴将着重于定性地分析电路的工作原理，同时配合手头上能够提供的仿真和实例分析。

  本帖首先介绍常用单级 PFC 反激式结构的几种工作模式，重点介绍一下适合用于做大功率〔100W 左

右〕的电路结构，也就是本帖实例介绍的 FOT 控制模式。

  首先提出几个问题，希望大家能够一起探讨。

1、为什么市面上大多数单级 PFC 的 LED 驱动器都选用临界或者断续工作模式？

2、为什么单级 PFC 的 PF 值随输入电压升高低降？

3、为什么单级 PFC 的输出纹波如此之大？

为了答复上面的几个问题，首先有必要讲一下单级 PFC 的根本原理。临界模式的单级 PFC 最早应该是由

L6562 这颗 PFC 控制芯片改良得来的，先给出一个框图描述 L6562 用于单级 PFC 的根本结构和外围电

路，定性分析工作原理。

  先撇开 PFC 局部的功能，这个框图和普通的定频峰值电流控制模式反激式电路的区别在于没有固定的

时钟信号，开关管开启，初级电感电流上升到 Rs 上压降到达乘法器输出电压时，RS 触发器翻转，开关管

关断。对于定频 PWM 控制 IC，开关管的导通受固定频率时钟信号控制，而 L6562 那么会一直等到磁芯

完成退磁，ZCD 检测到辅助绕组电压回落到 Vref-2 时才重新开启开关管，因此电路被强制工作在临界模

式下。

  再来看 PFC 功能。乘法器的输入分别来自误差放大器的输出和整流后馒头状正弦半波的分压，因此乘

法器输出也是馒头状正弦半波，那么最终初级电感电流峰值也就跟随馒头状正弦半波，下面这个图可以说

明问题。

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  这个图中可以得到很多信息，首先是，跟随线电压半波的是初级电感峰值电流，而输入平均电流和初

级电感峰值电流的关系为 Iin-avg=Ipk*D/2，由于 D 是一个随线电压瞬时值升高而降低的变量，因此输

入电感的平均电流较标准正弦半波而言要更加扁，功率因素不可能到达理想的 1。那么怎样提高功率因素

呢？

  我们再看，反激式电路中 D 的表达式为：D=Vor/〔Vor+Vin〕，Vor 是反射电压，Vin 是输入电压。

单级 PFC 中，Vor=n*〔Vo+Vd〕根本可认为是不变的，而 Vin 是随着线电压相角变化的，为了提高

PF，必须减弱 D 随线电压变化的程度，那唯一的方法就是增大 Vor，当 Vor 大到一定程度时，Vin 从零

变化到线电压峰值，D 根本可认为不变了，那么功率因素就近似为 1 了。

  通过以上的分析，应该已经完全解释了帖子开场提出的问题 2。在工程设计中，对于全电压情况下，通

常的设计使得 110V 下的功率因素可以很容易超过 0.98，但到了 265V 的时候，通常只有 0.9 左右了，

针对这个问题，可以说，根本是没有方法的，进一步提高匝比，或者说是反射电压，肯定可以进一步改善，

但是 MOS 管的耐压就要进一步提高了，此外，过高的反射电压会导致另一个问题。这个问题就是，当反

射电压明显大于输入电压时，变换器如果在断续工作模式〔包括准谐振〕，那么退磁完成进入自由振荡后，

MOS 管的漏极会出现负压，导致 MOS 管的体二极管导通，效率显著降低了。

继续来看上面那个图中包含的信息。图中白色的三角状局部表示次级电感电流峰值，对这个电流取平均

值，就得到了次级电流的平均，和输入电流波形一样，是一个 100Hz 的比正弦半波更扁的低频波，这个

电流最终被分为两局部，一局部流入输出滤波电容，一局部流入负载。理想情况下，电容上将吸收所有的

交流，输出负载只流过直流，但这个交流成分的频率是 100Hz，要处理如此的低频纹波，电容容量会大

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的惊人，因此，第三个问题得到了解答，单级 PFC 的纹波很大也是从结构上没有方法改善的。增加一级

次级调节器也许是唯一的方法。

  接着讨论占空比相关的问题。如果输出电压电流以及输入线电压不变，临界或者断续模式下的单级

PFC 每一个开关周期的开关管导通时间是保持恒定的，这就保证了初级电感峰值电流跟随馒头状的正弦半

波。但是需要引起注意的是，导通时间必定随着输出负载功率的增加以及线电压的降低而增大，至于道理

很简单，因为能量守恒，输出能量大了，输入电压低了，那输入电流必须增大，因此导通时间势必增大。

导通时间增时导致关断时间也要增大，最终在临界模式单级 PFC 中出现的现象是，平均开关频率的最低

值发生在最低线电压和重载下，最高值发生在最高线电压和轻载下，最低我们知道不宜低于 20KHz，否

那么可能有音频噪声，最高，通常不高于 150KHz，以免进入传导 EMI 测试频段，这就是很多 IC 部为什

么限定最高与最低频率的原因。

  开篇的三个问题，还有第一个没有答复，单级 PFC 通常工作在临界模式或者断续模式，这涉及到的原

因很多，下面一一道来，不全面的地方欢送大家补充。

第一个原因：单级 PFC 工作在断续或者临界模式下可以实现原边恒流。断续或者临界模式下，初次级侧

电感电流均为三角波，输出平均电流可以表达为 Io=Ipks*D'/2，D‘是退磁时间，临界模式中可以近似等

于 1-D，其中 Ipks=n*Ipkp，而 1-D 可以从从初级侧驱动信号下降沿计时到过零检测触发完毕得到，因

此，断续或者临界模式下要实现恒流，所需的全部信息可以从初级侧得到。连续模式下那么是不行的，因

为电流的谷值是不定的。当然，连续模式下要实现原边恒流也未必不可能，有兴趣的可以参看一下占空比

的 DU8623，细读一下其恒流专利，尽管这是一个 BUCK 结构的 IC，但其恒流思路用在连续模式下的原

边反应应该是可行的，这里就不详述了。

  第二个原因：大信号不稳定现象。单级 PFC 在线电压瞬时值较低时，占空比非常大，远超过 0.5，如

果采用常见的定频 PWM 并且工作在连续模式，将产生次谐波不稳定问题，并且，由于输入电压是瞬间变

化的馒头状正弦半波，企图通过斜率补偿来消除这一不稳定现象几乎是不可能的。本帖最终介绍的大功率

单级 PFC 采用固定固定关断时间的控制方法，防止了次谐波不稳定问题。

  第三个原因：小信号不稳定现象。这个问题可以说是比拟牵强的，众所周知断续模式下不存在右半平

面零点问题，但实际上，单级 PFC 的环路带宽非常低，完全避开了右半平面零点频率。

  应该还有其他的原因，欢送大家补充。

先来个实例，很早以前做的，LT3799，通用输入围，输出 1A 恒流，电压 20--25V。

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