预测 CCM 升压 PFC 电路中的输出电容器纹波的方法

1.前言

PFC的英文全称为“Power Factor CorrecTIon”，意思是“功率因数校正”，功率因数指的是有效功率与总耗电量（视在功率）之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量（视在功率）的比值。 基本上功率因数可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因数值越大，代表其电力利用率越高。

功率因数是用来衡量用电设备用电效率的参数，低功率因数代表低电力效能。为了提高用电设备功率因数的技术就称为功率因数校正。

被动式PFC一般分“电感补偿式”和“填谷电路式（Valley Fill Circuit）”

“电感补偿式”是使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数，“电感补偿式”包括静音式和非静音式。“电感补偿式”的功率因数只能达到0.7～0.8，它一般在高压滤波电容附近。而主动式PFC则由电感电容及电子元器件组成，体积小、通过专用IC去调整电流的波形，对电流电压间的相位差进行补偿。主动式PFC可以达到较高的功率因数──通常可达98%以上，但成本也相对较高。

大家知道：PFC电路后面大的储能滤波电容C和PFC电感L是串联的，由于电感L上的电流不能突变，就对大的滤波电容C的浪涌电流起了限制作用。

输出电容器是升压功率因数校正(FPC)电路中的主要能量存储元件（图 1）；它也是更大、更昂贵的组件之一。许多因素决定了它的选择：所需的电容、环境温度、预期的使用寿命和可用的物理空间。在这篇文章中，我想看看在电容器中流动的纹波电流。预测纹波电流的最准确方法是进行数值模拟，但有一些简单的公式可以为我们提供相当准确的电流估计值，并深入了解这些电流如何随工作条件而变化。

2.电容

正如我所说，输出电容器是一个相对昂贵的组件，因此我们可能会选择仍然能使设计满足其规格的最小电容量。在所有其他条件相同的情况下，较小的电容器将比较大的电容器具有更低的成本。两个主要考虑因素决定了我们需要多少电容：所需的保持时间和允许的纹波电压。

对于所需的保持时间，我们可以使用公式 1 来计算所需的电容：

其中 P out是从输出电容器获取的功率，t hu是所需的保持时间，V initial和 V final分别是初始和最终电容器电压。

如果保持时间不重要，那么我们可以根据允许的电压纹波来确定电容器的大小。等式 2 给出 C输出为：

其中 I out是负载电流，V纹波是电容器上的峰峰值电压纹波。

图 1：典型升压 PFC 原理图

3.电容电流

重新排列的公式 2 可以确定电容器上的低频纹波电压。该纹波是正弦的，前提是 PFC 级汲取的线路电流是正弦的。它将是线路频率的两倍，我们可以使用公式 3 计算纹波电压的峰峰值幅度：

电容器中的低频纹波电流与输出电流的关系非常简单。公式 4 给出了电流的 RMS（均方根）值，因为大多数电容器都是根据 RMS 纹波电流指定的。这里的结果与数值模拟结果非常吻合：

除了两倍线路频率的分量外，纹波电流还具有 PFC 开关频率及其谐波处的高频分量。我们可以使用 Erickson 和 Maksimovic 的“电力电子基础”中公式的稍微修改版本来计算 RMS 总电容器纹波电流。该公式忽略了电感开关频率纹波电流的影响，因此与数值模拟相比低估了电流。这种低估在高压线处成比例地变大，但因为纹波电流在低压线处最大，所以公式 5 准确到好于约 10%：

电容器电流的高频分量就是总电流减去低频电流。公式 6 给出的结果是一个 RMS 值：

4.一些注意事项

我在这篇文章中查看了单相 CCM（连续传导模式）PFC 级，但低频纹波计算也适用于交错、CrCM（临界传导模式）和 DCM（不连续传导模式）设计。然而，高频纹波计算仅对单相 CCM 设计有效。

低频和高频纹波电流都不是电容量的函数。低频电流是输出功率的函数；它不是线电压的函数。高频纹波在低线路时最大，是线路、升压电感和输出功率的函数。