PFC电路与BOOST电路设计实例解析
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9
功率因素校正（PFC）
基于Boost电路的PFC变换器的提出
Boost用于PFC的优势 1.Boost可工作在三种模态CCM,BCM,DCM 2.储能电感又是滤波器，可抑制电磁干扰EMI 和射频干扰RFI 电流波形失真小 3.输出功率大 4.共源极可简化驱动电路等优点
10
基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法-概述
DCM
输入电流自动跟踪输入电压，控制简单，仅需一个电压环， 成本低，电感量小，主管ZCS，续流管无反向恢复问题 ,定频工 作，适合小功率用电设备 。
BCM
输入电流自动跟踪输入电压，电感量小，一般采用变频控制， 在固定功率开关管开启时间的条件下，调整开关管的关断时间， 使电感始终处于临界导电模式，可获得单位功率因数，但是滤 波器设计困难，适用于中小功率场合。
15
基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法——CCM
CCM
电感电流连续时可以选择多种控制方法，如：峰值 电流控制、滞环电流控制、平均电流控制和单周期控 制等，适用于大功率场合 ，开关频率可以恒定（如平 均电流控制等（定频）），也可以变化（如滞环控制 （变频））。
16
基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法-总结
如果U1＝Um， U2＝Um-RsiL 即可用控制电路实现控制目标！
U md1 U m RsiL
U1d U2
33
PFC控制方法——CCM-One Cycle Control
单周期控制电路如 左图所示
复位积分器 如右图所示
34
PFC控制方法——CCM-One Cycle Control
当电感电流达基准下限值时，开关管导通，电感电 流上升，当电感电流达基准上限值时，开关管关断， 电感电流下降
电流滞环宽度决定了电流纹波大小.开关频率由环宽
决定（变频）
i
imax
iL
imin
Ug
t
27
PFC控制方法——CCM-Hysteretic Current Control
优点
电流环带宽高 具有很强且具有很强的鲁棒性和快速动态响应能力 电流跟踪误差小 硬件实现容易。
一个开关周期内，Boost变换器输U出o 电压与输入电压Um关系为：
Uo ui1 1 d1
(5) d1 为导通时间占空比
由（4）（5）可得控制方程： U md1 U m RsiL （6）
---------------------------------------------------------------------------------------
f (mmin )
sin 2 t dt
0
1
1
sint
mm in
13
基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法——DCM
要保证电感电流断续，必须满足d1+d2<1 随着mmin=Vo/Vin的增加，d1+d2先减小后增大 因此在输入电压较小与较大时均会使电感电流趋
于连续
通常在断续模式下的电感量设计中按最低输入电 压时确参数。
（2）平均电流控制 ：优点是电流环有较高的增益带宽、跟踪误差小、 瞬态特性较好、THD(<5%)和EMI小、对噪声不敏感、开关频率固定、 适用于大功率应用场合，其缺点是参考电流与实际电流的误差随着占 空比的变化而变化，从而可能会产生低次电流谐波。
（3）滞环电流控制 ：优点是电流环带宽高，具有很强且具有很强的鲁 棒性和快速动态响应能力，电流跟踪误差小，硬件实现容易。其缺点 负载大小对开关频率影响较大，不利于设计输出滤波器的优化设计。
CCM
常用的有电流峰值控制法、电流滞环控制法或平均电流控制 法，可以定频，也可以变频，高功率因素，要用到乘法器，控 制相对复杂，成本高。适用于大功率场合 。
17
基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法——CCM
概述
通常情况下，电感电流连续时的控制电路都需要有一 个模拟乘法器和电流检测环路，与输出电压的反馈信号 一起调制功率开关管的控制信号，其中模拟乘法器的精 度将影响PF值和输入电流谐波含量THD。示意图图下 ，
在输入或输出跳变时，单周期控制可以在一个开关周期 实现控制目标，较大提高系统的动态性能
进而扩展到各种应用场合，如功率因数校正、有源滤波、 整流器等
29
PFC控制方法——CCM-One Cycle Control
单周期控制的基本思想是在每个开关周期内令 开关变量的平均值与控制参考量相等或成比例
i
iL
iref
t
Ug
24
PFC控制方法——CCM-Average Current Control
平均电流控制的优点
电流环有较高的增益带宽 跟踪误差小 瞬态特性较好 THD(<5%)和EMI小 对噪声不敏感 开关频率固定
适用于大功率应用场合，是目前PFC中应用最多的一种 控制方式。
25
• 以后由定频时钟再次开通开关，如此进行周期性变化
• 电感电流的峰值包络线跟踪整流电压Vdc的波形，使输入电流与输入电压同
相位，并接近正弦波
21
PFC控制方法——CCM-Average Current Control
2. 平均电流控制
平均电流控制的原理框图入下
23
PFC控制方法——CCM-Average Current Control
单周期控制的优点是能够自动消除一个周期内 的稳态和瞬态误差，动态响应快；且由于频率 固定，适宜于PWM 控制
30
PFC控制方法——CCM-One Cycle Control
单周期控制是一种不需要乘法器的控制方法，取而代之的是一个复
位积分器，如上图所示。其中时间常数RC等于RS触发器的Clock时
优点
单周控制能优化系统响应 减小畸变和抑制电源干扰 反应快 开关频率恒定 鲁棒性强 易于实现 抗电源干扰 控制电路简单
35
PFC控制方法——CCM-总结
CCM 模式下控制策略总结
（1）峰值电流控制 ：优点是实现容易，缺点是当交 流 电 网电压从零 变化到峰值时，占空比变化太大。在占空比>50%时，电流环会产生 次谐波振荡现象。
由上两式可得： RsiL U m ui1 U o
（4）
若输出滤波电容够大，输出电压Uo可视为恒定值， 在一个开关 周期内可看出Um也可视为定值
因此由(4)可以看出，Boost输入电流与输入电压成比例，从而达 到电流跟踪电压的目的
32
PFC控制方法——CCM-One Cycle Control
ui
其中，di ima，x 因此 dt Ton
im a x
Ton L
Ui
如果输入周期内各开关周期的占空比近 似不变时，电感电流的峰值与输入电压 成正比。因此，输入电流波形自然跟随 输入电压波形，电路不需要电流控制环 即可实现PFC功能。
12
基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法——DCM
缺点
负载大小对开关频率影响较大 不利于设计输出滤波器的优化设计
目前，关于滞环电流控制的改进方案研究还很 活跃，目的在于实现恒频控制（通过实时的改 变环宽），将其他控制方法与滞环电流控制相 结合是发展方向之一
28
PFC控制方法——CCM-One Cycle Control
4.单周期控制
单周期控制是一种新型的非线性控制策略，首先用于 BUCK变换器
相移因数 cos 1
最终实现功率因素PF=1的设计工作目标
5
功率因素校正（PFC）
两种主要的功率因素校正的方法
1) 无源PFC技术 2) 有源PFC技术
6
功率因素校正（PFC）
单管功率因素校正变换器的概念 只用一个主开关管，可使功率因数校正到0.8
以上，并使输出直流电压可调，这种拓扑结构 称为单管单级PFC变换器。
P视在
Vrms I rms
I rms
功率因数校正的任务
正弦化，使电流失真因数 1 同相位，使相移因数 cos＝1
4
功率因素校正（PFC）
功率因素校正PFC是十几年电源技术进步的重大领域，它 的基本原理是：
是电源输入电流实现正弦波，正弦化就是要使其谐波为
零，电流失真因数 1
保证电流相位与输入电压保持同相位，两波形同相位，
虽然不可控整流器电路简单可靠，但它们 产生高峰值电流，使输入端电流波形发生 畸变，使交流电网一侧的功率因素下降到 0.5~0.65，无功损耗过大。
因此我们必须引入功率因素较正
3
功率因数和功率因数校正
功率因数的定义
PF P有功 ＝V1rms I1rms cos I1rms cos cos
BOOST电路
功率因素校正（PFC） 基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法 PFC典型芯片UC3854介绍 基于Boost电路的PFC变换器设计实例
1
功率因素校正-谐波的危害
Ii
a
直
Vi
流 变 换
负 载
器
b
2
功率因素校正-谐波的危害
传统的AC-DC变换器和开关电源，其输入 电路普遍采用了全桥二极管整流，输出端 直接接到大电容滤波器。
（4）单周控制：能优化系统响应、减小畸变和抑制电源干扰，有反应 快、开关频率恒定、鲁棒性强、易于实现、抗电源干扰、控制电路简 单等优点。
36
上节内容回顾
谐波污染的治理主要途径： 无源电力滤波器（PPF）
CCM
DCM
BCM
11
基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法——DCM
DCM
假定在稳态条件下，在一个开关周期内，MOS管的导通时间为Ton，输入电 压为Ui，电感电流为i，电感电流峰值为 ，电感量为L，电感电流达到峰 值时，对应的输入电压为。则在MOS管导im通ax期间，有：
L
di dt
DCM的关键
要想保证电路在一定电压范围内处于断续模式，关键是电感 量的设计，下面给出电感量设计的最终公式：
d
d1
d2
Vo
mmin 2
(mmin sint)
2 L f s Po
f (mmin )
d1其中为MOS管导通占空比，d2为续流二极管导通占空比， L为电感量，fs为开关频率，Po为输出功率，mmin为Vo/Vin
－ Gvol
A
Iref K * A* B
Iref 比较器
驱动
V_out
iL
电压环
电流给定
电流比较
20
PFC控制方法——CCM-Peak Current Control
i
ip
iL
t
Ug
• 当电感电流达到电流基准以前，开关一直处于导通的状态
• 电流基准是由全波整流电压的采样值与电压环误差放大器的输出乘积决定 的，一旦当电感电流达到电流基准，经比较器输出一关断信号，使开关管 截止
7
功率因素校正（PFC）
单管功率因素校正变换器的电路类型 Buck Boost Boost-Buck Zeta Cuk Sepic
8
BOOST电路
功率因素校正（PFC） 基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法 PFC典型芯片UC3854介绍 基于Boost电路的PFC变换器设计实例
钟周期，因此有如下关系：
U1d U2
d为积分时间占空比。
（1）
31
PFC控制方法——CCM-One Cycle Control
功率因素校正的目的是使输入电流跟踪输入电压，变化器等效电阻 为线性，有：
Re
iL ui1 Re
令
U m U o Rs Re
(2) ui1 为全波整流电压 （3） Rs 为电流采样电阻
PFC控制方法——CCM-Hysteretic Current Control
3.滞环电流控制
滞环电流控制的原理框图如下
26
Leabharlann Baidu PFC控制方法——CCM-Hysteretic Current Control
电压外环的作用是为滞环控制单元提供瞬时电流参 考信号，作为滞环逻辑控制器的输入
所检测的输入电压经分压后，产生两个基准电流： 上限值与下限值
1.054
d (mmin )
0.753
1.15
mmin 3.162
4
DCM的d参数与mmin的关系曲线
14
基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法——BCM BCM
一般采用变频控制，在固定功率开关管开启时间的条 件下，调整开关管的关断时间，使电感始终处于临界导 电模式，可获得单位功率因数，适用于中小功率场合。 开关频率不固定（变频），功率管导通时间固定。
18
基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法——CCM
CCM状态下控制方式
1. 峰值电流控制 2. 平均电流控制 3. 滞环控制 4. 单周期控制
19
PFC控制方法——CCM-Peak Current Control
1. 峰值电流控制
峰值电流控制的原理框图如下:
B 分压后
整流电压
+
Vref ＋ Verr
功率因素校正（PFC）
基于Boost电路的PFC变换器的提出
Boost用于PFC的优势 1.Boost可工作在三种模态CCM,BCM,DCM 2.储能电感又是滤波器，可抑制电磁干扰EMI 和射频干扰RFI 电流波形失真小 3.输出功率大 4.共源极可简化驱动电路等优点
10
基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法-概述
DCM
输入电流自动跟踪输入电压，控制简单，仅需一个电压环， 成本低，电感量小，主管ZCS，续流管无反向恢复问题 ,定频工 作，适合小功率用电设备 。
BCM
输入电流自动跟踪输入电压，电感量小，一般采用变频控制， 在固定功率开关管开启时间的条件下，调整开关管的关断时间， 使电感始终处于临界导电模式，可获得单位功率因数，但是滤 波器设计困难，适用于中小功率场合。
15
基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法——CCM
CCM
电感电流连续时可以选择多种控制方法，如：峰值 电流控制、滞环电流控制、平均电流控制和单周期控 制等，适用于大功率场合 ，开关频率可以恒定（如平 均电流控制等（定频）），也可以变化（如滞环控制 （变频））。
16
基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法-总结
如果U1＝Um， U2＝Um-RsiL 即可用控制电路实现控制目标！
U md1 U m RsiL
U1d U2
33
PFC控制方法——CCM-One Cycle Control
单周期控制电路如 左图所示
复位积分器 如右图所示
34
PFC控制方法——CCM-One Cycle Control
当电感电流达基准下限值时，开关管导通，电感电 流上升，当电感电流达基准上限值时，开关管关断， 电感电流下降
电流滞环宽度决定了电流纹波大小.开关频率由环宽
决定（变频）
i
imax
iL
imin
Ug
t
27
PFC控制方法——CCM-Hysteretic Current Control
优点
电流环带宽高 具有很强且具有很强的鲁棒性和快速动态响应能力 电流跟踪误差小 硬件实现容易。
一个开关周期内，Boost变换器输U出o 电压与输入电压Um关系为：
Uo ui1 1 d1
(5) d1 为导通时间占空比
由（4）（5）可得控制方程： U md1 U m RsiL （6）
---------------------------------------------------------------------------------------
f (mmin )
sin 2 t dt
0
1
1
sint
mm in
13
基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法——DCM
要保证电感电流断续，必须满足d1+d2<1 随着mmin=Vo/Vin的增加，d1+d2先减小后增大 因此在输入电压较小与较大时均会使电感电流趋
于连续
通常在断续模式下的电感量设计中按最低输入电 压时确参数。
（2）平均电流控制 ：优点是电流环有较高的增益带宽、跟踪误差小、 瞬态特性较好、THD(<5%)和EMI小、对噪声不敏感、开关频率固定、 适用于大功率应用场合，其缺点是参考电流与实际电流的误差随着占 空比的变化而变化，从而可能会产生低次电流谐波。
（3）滞环电流控制 ：优点是电流环带宽高，具有很强且具有很强的鲁 棒性和快速动态响应能力，电流跟踪误差小，硬件实现容易。其缺点 负载大小对开关频率影响较大，不利于设计输出滤波器的优化设计。
CCM
常用的有电流峰值控制法、电流滞环控制法或平均电流控制 法，可以定频，也可以变频，高功率因素，要用到乘法器，控 制相对复杂，成本高。适用于大功率场合 。
17
基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法——CCM
概述
通常情况下，电感电流连续时的控制电路都需要有一 个模拟乘法器和电流检测环路，与输出电压的反馈信号 一起调制功率开关管的控制信号，其中模拟乘法器的精 度将影响PF值和输入电流谐波含量THD。示意图图下 ，
在输入或输出跳变时，单周期控制可以在一个开关周期 实现控制目标，较大提高系统的动态性能
进而扩展到各种应用场合，如功率因数校正、有源滤波、 整流器等
29
PFC控制方法——CCM-One Cycle Control
单周期控制的基本思想是在每个开关周期内令 开关变量的平均值与控制参考量相等或成比例
i
iL
iref
t
Ug
24
PFC控制方法——CCM-Average Current Control
平均电流控制的优点
电流环有较高的增益带宽 跟踪误差小 瞬态特性较好 THD(<5%)和EMI小 对噪声不敏感 开关频率固定
适用于大功率应用场合，是目前PFC中应用最多的一种 控制方式。
25
• 以后由定频时钟再次开通开关，如此进行周期性变化
• 电感电流的峰值包络线跟踪整流电压Vdc的波形，使输入电流与输入电压同
相位，并接近正弦波
21
PFC控制方法——CCM-Average Current Control
2. 平均电流控制
平均电流控制的原理框图入下
23
PFC控制方法——CCM-Average Current Control
单周期控制的优点是能够自动消除一个周期内 的稳态和瞬态误差，动态响应快；且由于频率 固定，适宜于PWM 控制
30
PFC控制方法——CCM-One Cycle Control
单周期控制是一种不需要乘法器的控制方法，取而代之的是一个复
位积分器，如上图所示。其中时间常数RC等于RS触发器的Clock时
优点
单周控制能优化系统响应 减小畸变和抑制电源干扰 反应快 开关频率恒定 鲁棒性强 易于实现 抗电源干扰 控制电路简单
35
PFC控制方法——CCM-总结
CCM 模式下控制策略总结
（1）峰值电流控制 ：优点是实现容易，缺点是当交 流 电 网电压从零 变化到峰值时，占空比变化太大。在占空比>50%时，电流环会产生 次谐波振荡现象。
由上两式可得： RsiL U m ui1 U o
（4）
若输出滤波电容够大，输出电压Uo可视为恒定值， 在一个开关 周期内可看出Um也可视为定值
因此由(4)可以看出，Boost输入电流与输入电压成比例，从而达 到电流跟踪电压的目的
32
PFC控制方法——CCM-One Cycle Control
ui
其中，di ima，x 因此 dt Ton
im a x
Ton L
Ui
如果输入周期内各开关周期的占空比近 似不变时，电感电流的峰值与输入电压 成正比。因此，输入电流波形自然跟随 输入电压波形，电路不需要电流控制环 即可实现PFC功能。
12
基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法——DCM
缺点
负载大小对开关频率影响较大 不利于设计输出滤波器的优化设计
目前，关于滞环电流控制的改进方案研究还很 活跃，目的在于实现恒频控制（通过实时的改 变环宽），将其他控制方法与滞环电流控制相 结合是发展方向之一
28
PFC控制方法——CCM-One Cycle Control
4.单周期控制
单周期控制是一种新型的非线性控制策略，首先用于 BUCK变换器
相移因数 cos 1
最终实现功率因素PF=1的设计工作目标
5
功率因素校正（PFC）
两种主要的功率因素校正的方法
1) 无源PFC技术 2) 有源PFC技术
6
功率因素校正（PFC）
单管功率因素校正变换器的概念 只用一个主开关管，可使功率因数校正到0.8
以上，并使输出直流电压可调，这种拓扑结构 称为单管单级PFC变换器。
P视在
Vrms I rms
I rms
功率因数校正的任务
正弦化，使电流失真因数 1 同相位，使相移因数 cos＝1
4
功率因素校正（PFC）
功率因素校正PFC是十几年电源技术进步的重大领域，它 的基本原理是：
是电源输入电流实现正弦波，正弦化就是要使其谐波为
零，电流失真因数 1
保证电流相位与输入电压保持同相位，两波形同相位，
虽然不可控整流器电路简单可靠，但它们 产生高峰值电流，使输入端电流波形发生 畸变，使交流电网一侧的功率因素下降到 0.5~0.65，无功损耗过大。
因此我们必须引入功率因素较正
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功率因数和功率因数校正
功率因数的定义
PF P有功 ＝V1rms I1rms cos I1rms cos cos
BOOST电路
功率因素校正（PFC） 基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法 PFC典型芯片UC3854介绍 基于Boost电路的PFC变换器设计实例
1
功率因素校正-谐波的危害
Ii
a
直
Vi
流 变 换
负 载
器
b
2
功率因素校正-谐波的危害
传统的AC-DC变换器和开关电源，其输入 电路普遍采用了全桥二极管整流，输出端 直接接到大电容滤波器。
（4）单周控制：能优化系统响应、减小畸变和抑制电源干扰，有反应 快、开关频率恒定、鲁棒性强、易于实现、抗电源干扰、控制电路简 单等优点。
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上节内容回顾
谐波污染的治理主要途径： 无源电力滤波器（PPF）
CCM
DCM
BCM
11
基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法——DCM
DCM
假定在稳态条件下，在一个开关周期内，MOS管的导通时间为Ton，输入电 压为Ui，电感电流为i，电感电流峰值为 ，电感量为L，电感电流达到峰 值时，对应的输入电压为。则在MOS管导im通ax期间，有：
L
di dt
DCM的关键
要想保证电路在一定电压范围内处于断续模式，关键是电感 量的设计，下面给出电感量设计的最终公式：
d
d1
d2
Vo
mmin 2
(mmin sint)
2 L f s Po
f (mmin )
d1其中为MOS管导通占空比，d2为续流二极管导通占空比， L为电感量，fs为开关频率，Po为输出功率，mmin为Vo/Vin
－ Gvol
A
Iref K * A* B
Iref 比较器
驱动
V_out
iL
电压环
电流给定
电流比较
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PFC控制方法——CCM-Peak Current Control
i
ip
iL
t
Ug
• 当电感电流达到电流基准以前，开关一直处于导通的状态
• 电流基准是由全波整流电压的采样值与电压环误差放大器的输出乘积决定 的，一旦当电感电流达到电流基准，经比较器输出一关断信号，使开关管 截止
7
功率因素校正（PFC）
单管功率因素校正变换器的电路类型 Buck Boost Boost-Buck Zeta Cuk Sepic
8
BOOST电路
功率因素校正（PFC） 基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法 PFC典型芯片UC3854介绍 基于Boost电路的PFC变换器设计实例
钟周期，因此有如下关系：
U1d U2
d为积分时间占空比。
（1）
31
PFC控制方法——CCM-One Cycle Control
功率因素校正的目的是使输入电流跟踪输入电压，变化器等效电阻 为线性，有：
Re
iL ui1 Re
令
U m U o Rs Re
(2) ui1 为全波整流电压 （3） Rs 为电流采样电阻
PFC控制方法——CCM-Hysteretic Current Control
3.滞环电流控制
滞环电流控制的原理框图如下
26
Leabharlann Baidu PFC控制方法——CCM-Hysteretic Current Control
电压外环的作用是为滞环控制单元提供瞬时电流参 考信号，作为滞环逻辑控制器的输入
所检测的输入电压经分压后，产生两个基准电流： 上限值与下限值
1.054
d (mmin )
0.753
1.15
mmin 3.162
4
DCM的d参数与mmin的关系曲线
14
基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法——BCM BCM
一般采用变频控制，在固定功率开关管开启时间的条 件下，调整开关管的关断时间，使电感始终处于临界导 电模式，可获得单位功率因数，适用于中小功率场合。 开关频率不固定（变频），功率管导通时间固定。
18
基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法——CCM
CCM状态下控制方式
1. 峰值电流控制 2. 平均电流控制 3. 滞环控制 4. 单周期控制
19
PFC控制方法——CCM-Peak Current Control
1. 峰值电流控制
峰值电流控制的原理框图如下:
B 分压后
整流电压
+
Vref ＋ Verr