常见的PFC拓扑架构及控制方法

为满足谐波电流限制法规要求(如EN61000-3-2、GB17625.1-2022)主动功率因数校正(APFC)被大功率开关电源广泛采用。

PFC拓扑架构

·有桥PFC

·图腾柱无桥PFC

·双向开关无桥PFC

PFC芯片控制方式

·平均电流控制

·固定导通时间控制

·单周期控制

本期，芯朋微技术团队将为各位fans分享常见的PFC拓扑架构及控制方法，为设计选型提供参考。

PFC拓扑架构

1.1有桥PFC

当Vac为正时：工频管D1和D4持续导通，高频管Q1导通时电感储能，高频管D5导通时电感释放能量

当Vac为负时：工频管D2和D3持续导通，高频管Q1导通时电感储能，高频管D5导通时电感释放能量。

1.2图腾柱无桥PFC

当Vac为正时：工频管Q4持续导通，高频管Q2导通时电感储能，高频管Q1导通时电感释放能量。

当Vac为负时：工频管Q3持续导通，高频管Q1导通时电感储能，高频管Q2导通时电感释放能量。

1.3双向开关无桥PFC

当Vac为正时：Q1和Q2导通，电感储能。

高频管D1和工频管D3导通，电感释放能量。

当Vac为负时：Q1和Q2导通，电感储能。

高频管D2和工频管D4导通，电感释放能量。

三种PFC拓扑架构总结如下：

PFC控制方式

2.1平均电流控制

平均电流控制简化模型如下，电压环误差调节量与市电整流后电压Vrec相乘产生电流环参考lref;经电流环闭环控制，使得电感电流L追踪电流参考Iref。

当电压环足够慢(穿越频率低于10Hz)，Iref形状为馒头波，则可实现功率因数校正。

优势：平均电流控制可支持电流连续模式(CCM)和电流不连续模式(DCM);典型应用功率范围：140W-1500W

劣势：需侦测市电幅值和相位，通过乘法器产生电流环参考

2.2固定导通时间控制

Boost变换器工作在临界电流模式(CRM)，电感电流的平均值计算如下：

在半个工频周期内使得Ton恒定为常数，则电感平均电流

与输入电压成线性关系：

消磁结束后(并满足最高频率限制)Gate置高，恒流源lcot开始对ct充电，充电电压等于电压环误差量Vmo后Gate置低。电压环足够慢，则Gate脉宽在半个工频周期内恒定，从而实现功率因数校正。

COT控制PFC简化仿真模型：

优势：

控制简单，高频管D1无反向恢复损耗;

劣势：

需侦测电感电流的消磁信号，不支持电流

连续模式，应用功率通常小于300W。

应用方案：固定导通时间控制PFCPN8280

宽供电范围

9V-60V

适合PD应用

灵活应用

PN8280VSE-B1支持直流输入和交流输入，适合网关应用

自适应COT控制

内置输入电压前馈保证改善高低压动态特性一致

丰富保护功能

PN8280SE-A1市电欠压保护、外部OTP保护(ACCK)

广泛应用市场

交换机、PC、TV、适配器

2.3 单周期控制

PN8286W控制简化电路和工作波形如下：

Boost变换器工作在电流连续模式，输入电压vrec和输出电压Vo表达式如下：

基于单周期控制技术，输入电流irec表达式如下

输入电压vrec与输入电流irec比值如下：

COT控制简化模型如下：

优势：

单周期控制无要侦测市电和电感电流消磁信号，并可支持连续电流模式，典型应用功率范围：140W-1500W。

劣势：

为了提高THDi，需要较大的电感感量。

应用方案：

单周期控制PFC PN8286W

宽供电范围

VDD耐压40V，更高可靠性

连续工作模式

基于单周期控制，外围精简，适合140W-1500W功率应用

灵活应用

A1版本开关频率外部可调，B1版本内置输入欠压保护，可根据应用需求灵活选择

卓越动态性能

内置增强动态调节模块，降低功率器件开关机瞬态电压电流应力，改善负载跳变时的输出电压动态响应速度

全保护功能

两级过流保护、输入欠压保护、输出欠过压保护、VDD欠压保护、过温保护等

三种控制技术对比如下：