预测 CCM 升压 PFC 电路中的输出电容纹波

输出电容器是升压功率因数校正 (PFC)电路中的主要储能元件（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。

无源PFC电路一般采用电感补偿方法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,在交流电源进线或整流桥与滤波用的200V电容之间直接串联电感,同时改造开关电路的校正,一般在高压滤波电容附近,是一个较大的式频电感,它最大好处就是所需线路简单,生产成本较低.不过,被动式PFC的能源转换效率不高,容易产生工频震动和噪音等问题.

有源PFC是由电感电容及电子元器件组成的,通过专用IC芯片去调整电流的波形,对电流电压间的相位差进行补偿.具体做法是在输入整流桥与滤波用200V电容之间插入一个开关变换器线圈,以控制输入电流的波形跟随电网电压波形,使电源呈现阻性.主动式PFC可以达到0.99以上的功率因数.但其线路设计比被动式PFC复杂,成本也相对高.采用主动式PFC电路的电源不必采用很大容量的滤波电容.3C产品输出也十分稳定,适应电压非常宽.此外,主动式PFC还可用作辅助电源,因此在使用主动式PFC电路中,往往不需要待机变压器,而且主动式PFC还拥有稳定性佳、工频震动小,噪音低等优点.

在这篇文章中，我想看看流过电容器的纹波电流。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让我们对电流进行相当准确的估计，并深入了解这些电流如何随工作条件而变化。

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够使设计满足其规范的最小电容。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

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 级消耗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 纹波电流来指定的。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 开关频率及其谐波的高频分量。我们可以使用 Erickson 和 Maksimovic 的“电力电子基础”中的公式稍作修改的版本来计算 RMS 总电容器纹波电流。该公式忽略了电感器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。这种低估在高压线时会成比例地增大，但由于纹波电流在低压线时最大，所以公式 5 的准确度优于约 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：

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大小的函数。低频电流是输出功率的函数；它不是线路电压的函数。高频纹波在低压线路处最大，它是线路、升压电感和输出功率的函数。