補(bǔ)償 EMI 濾波器 X 電容對(duì)有源 PFC 功率因數(shù)的影響

    現(xiàn)代開(kāi)關(guān)模式電源使用 X 電容器和 Y 電容器與電感器的組合來(lái)過(guò)濾共模和差模 EMI。濾波器元件位于任何有源（或無(wú)源）功率因數(shù)校正 (PFC) 電路的前面（圖 1），因此 EMI 濾波器的電抗對(duì)功率因數(shù) (PF) 造成的任何失真都會(huì)改變甚至完美的功率因數(shù)校正 (PFC) 電路。修正了電壓-電流關(guān)系。

    典型 PFC 225W 電源輸入級(jí)示意圖。

    圖 1：典型 PFC 225W 電源的輸入級(jí)原理圖，突出顯示 EMI 濾波器中約 680 nF 的 X 電容，跨 L 相和 N 相連接
    當(dāng)輸出功率處于標(biāo)稱功率時(shí)，輸入高于 75W，通常需要有源 PFC 才能實(shí)現(xiàn)大于 0.9 的 PF。直到近，這種滿載要求在設(shè)計(jì)輸入濾波器時(shí)還是非常有幫助的。隨著負(fù)載的增加，電源的電阻輸入阻抗會(huì)降低并終淹沒(méi) X 電容的無(wú)功阻抗，從而主導(dǎo)整個(gè)功率轉(zhuǎn)換引擎的 PF。在輕負(fù)載和高線路條件下，PSU 輸入阻抗，PF 將因 X 電容而降低（圖 2）。

    通過(guò)向整個(gè)負(fù)載范圍（230VAC 輸入）的理想系統(tǒng)（單位功率因數(shù)）添加增加的 X 電容（共模）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì) PF 的平均效果。

    圖 2：在整個(gè)負(fù)載范圍（230VAC 輸入）內(nèi)向理想系統(tǒng)（單位功率因數(shù)）添加增加的 X 電容（共模）對(duì) PF 的平均影響
    然而，一些現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)，例如80 PLUS Titanium PC標(biāo)準(zhǔn)（20%負(fù)載時(shí)PF > 0.9），開(kāi)始要求輕負(fù)載時(shí)PF較高。如果配電網(wǎng)絡(luò)并行暴露于大量機(jī)器，這是有意義的。在輕負(fù)載下并行運(yùn)行的多個(gè)設(shè)備、顯示器或計(jì)算機(jī)可以（并且將會(huì)）通過(guò)在低 PF 下呈現(xiàn)大量需求來(lái)壓倒本地網(wǎng)絡(luò)的 VA 功率能力，從而產(chǎn)生不可持續(xù)的視在功率要求。由于眾多電機(jī)的共模效應(yīng)，電器通常使用較大的 X 電容值，因此這是設(shè)計(jì)中 X 電容可能很大的另一個(gè)原因。，與濾波電感相比，X 電容器相對(duì)便宜，這使得應(yīng)用更多或更大的 X 電容器而不是增加 EMI 濾波電感器的尺寸更具吸引力。

    “強(qiáng)力”方法可能是在系統(tǒng)的輸入中添加電感以減少容抗，在某些情況下，這可能是實(shí)用的。然而，更優(yōu)雅的解決方案是讓 PFC 級(jí)監(jiān)控輸入電壓和輸入電流相位關(guān)系，然后在輕負(fù)載時(shí)對(duì) PF 函數(shù)應(yīng)用校正因子。這具有在其校正算法中引入電流相位滯后的效果，以將整個(gè)系統(tǒng)功率因數(shù)恢復(fù)為單位。圖 3 顯示了基于 Power Integrations 的 HiperPFS-5 IC 系列的先進(jìn)有源 PFC 設(shè)計(jì)，這是一款具有集成 750V PowiGaN 開(kāi)關(guān)的先進(jìn) PFC 控制器 IC，針對(duì)整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的高 PF 和效率進(jìn)行了優(yōu)化。

      PFC 250W 電源的輸入級(jí)。
    圖 3：PFC 250W 電源的輸入級(jí)。PFC 使用變頻準(zhǔn)諧振 DCM 控制技術(shù)以及 GaN 功率開(kāi)關(guān)，在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)提供非常高的效率，同時(shí)保持較低的升壓電感。
    功率因數(shù)增強(qiáng) (PFE) 通過(guò)扭曲校正電流波形來(lái)補(bǔ)償輸入電容的相位失真，從而提高功率因數(shù)。它還減少了輸入電流波形失真的影響（電流正弦波的失真，特別是在過(guò)零處，將增加總諧波失真，將在另一篇文章中討論）。

    通過(guò)利用控制引擎，可以顯著改善輕載PF。圖 4 顯示了實(shí)際電源的 PF，負(fù)載了人為的高輸入電容 (650 nF)。PFE 功能可將功率因數(shù)提高高達(dá) 10%，負(fù)載約為 75W。

    隨著負(fù)載增加（230 VAC 和 265 VAC），PFC 塊上具有主動(dòng) PFE 和禁用 PFE 功能的 225 W 電源的 PF。
    圖 4：隨著負(fù)載增加（230 VAC 和 265 VAC），PFC 塊上具有主動(dòng) PFE 和禁用 PFE 功能的 225 W 電源的 PF
    通過(guò)向 PF 控制引擎添加失真信息，可以顯著減少輸入電容造成的 PF 失真。該電路會(huì)自動(dòng)補(bǔ)償輸入阻抗的變化，從而確保的 PF，盡管濾波器組件存在生產(chǎn)公差和一系列工作條件。系統(tǒng)支持嚴(yán)重失真的輸入電壓波形（例如發(fā)電機(jī)或逆變器輸入）的能力在另一篇文章中進(jìn)行了描述。