第 4 章 低功率高壓氣體放電燈驅動器之設計
4.2 功率因數修正器之設計
4.2.1 功率因數修正器元件設計準則 :
下列為設計功率因數修正器的必要原則:
1.主要的電壓範圍:Virms(min)−Virms(max)
2.調節直流輸出電壓:Vo
3.額定輸出功率:Po
4.最小切換頻率: fsw
5.最大漣波輸出電壓:∆Vo
6.效率:η
7.輸入功率:P Pi( / )o η
8.最大有效電流:Irms( /P Vi irms(min))
9.額定輸出電流:Io
圖4-10標明設計電路的各個參數值:
圖4-10:升壓式轉換器電路(資料來源:[20])
電源端設計:
輸入的橋式二極體可以使用標準而且低成本的慢速恢復二極體。對 此部份所需要考量的只有輸入電流、最大峰值電壓和二極體的熱量等等 的大小變化。
輸入電容 C
in:
輸入高頻濾波電容Cin必須減小經由高頻電感電流漣波所產生的切 換雜訊。最大高頻電壓漣波通常附於最小額定輸入電壓上的1% ∼10%
之間，可以經由漣波因數r 來表示( r = 0.01 到 0.1 之間):
(min)
2
rms in
sw irms
C I
f r V
= π
⋅ ⋅ ⋅ (4.21) 較高的Cin輸入電容值可以減輕EMI 濾波器的負擔，但是會導致功率因 數和主電流諧波的惡化，尤其是在輕載的時候。在其他方面，較低的 Cin輸入電容值可以增加功率因數和減少主要電流的失真，但是會增加在 輸入端橋式二極體的功率損失，故取決於設計者當時的應用場合。
輸出電容:
輸出電容 Co 的選擇遵循著直流輸出電壓、過電壓、輸出功率和電 壓漣波等因素。100 到 120Hz 的電壓漣波(∆ =Vo 1/ 2漣波峰對峰值)是一個 電容阻抗和電容峰值電流(Ic(2 )f pk =Io)的函數:
2 2
1
(2 2 )
o o
o
V I ESR
π
f C∆ = +
⋅ ⋅ (4.22) 因此
4 4
o o
o
o o
I P
C ≥
π
⋅ ⋅ ∆f V =π
⋅ ⋅ ∆ ⋅f V V (4.23)Vo
∆ 通常選擇的範圍在輸出電壓的 1∼5%。
雖然ESR 通常不會對輸出漣波產生影響，但是也必須歸納在功率消耗裡 頭的計算。全部 RMS 電容漣波電流，包含於主要頻率和切換頻率的影 響
2 2
32 2 9
irms
Crms rms o
o
I I V I
π
V= ⋅ ⋅ − (4.24)
2 2
_ min _ min
2 o Hold
o
o op
C P t
V V
= ⋅ ⋅
− (4.25)
其中Vo_min最小輸出電壓值、Vop_min是最小輸出操作電壓。
升壓電感:
因為電感操作在連續導通模式與不連續導通模式的邊界，因此在設 計升壓電感牽涉到幾個參數和不同實現的方法。第一，電感值必須被定 義。電感 L 通常決定於最小切換頻率，假設功率因數為 1 則式子可以寫
成:
sin( )
2 sin( ) 2
Lpk Lpk
on
irms irms
L I L I
T
V V
θ θ
⋅ ⋅ ⋅
= =
⋅ ⋅ ⋅ (4.26) sin( )
2 sin( )
Lpk off
o irms
T L I
V V
θ θ
⋅ ⋅
= − ⋅ ⋅ (4.27)
其中 Ton與 Toff分別是 MOSFET 的導通與截止時間，ILpk是最大峰值電 感電流也是輸入電流的兩倍關係:
2 2 i
Lpk
irms
I P
= ⋅ ⋅V (4.28) 因此求得最大切換週期即可換算成最小切換頻率:
2 ( 2 sin( ))
1 1
( ) 2
irms o irms
sw
on off i o
V V V
f T T L P V
θ
= = ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅θ
+ ⋅ ⋅ (4.29)
當θ = ±π/ 2的時候正好為輸入電壓峰值處，可得最小切換頻率:
2
(min)
( 2 )
2
irms o irms
sw i o
V V V
L f P V
⋅ − ⋅
= ⋅ ⋅ ⋅ (4.30)
控制 IC ST-L6561:
一 個 功 率 因 數 修 正 器(Power factor Corrector) 基 本 上 即 是 一 個 AC/DC 的轉換器，如圖4-11 所示。市面上常應用在 PFC 的 IC 有很多種，
這裡就SGS-Thomson 公司的 L6561 做一些簡單的特性介紹[19]。
L6561 是應用於小功率的 PFC Boost 電路而產生的，一般 100 瓦以 下常使用，因此L6561 的設計以簡單方便著稱，L6561 只有 8 PIN 而且 是操作在不連續電流模式(DCM)，在 IC 的內部有輸出過電壓保護、低
起動電流和工作電流，而內部的起動振盪器可在PFC。電路啟動時產生 閘極驅動訊號。在滿載狀況下功率因數可大於 0.99。
標準的轉換式電源供應器利用脈波寬度調變來調整輸入功率的大 小，以提供適當的負載所需，脈波寬度調變器控制切換開關(通常利用 Power MOSFET 來達成)將直流輸入電壓切成一串電壓脈波如圖 4-12 所 示，隨後利用變壓器和快速二極體將其轉成平滑的直流電壓輸出，這個 輸出電壓隨即與一個參考電壓(這個電壓是電源供應器應該輸出的標準 電壓值)做比較，所產生的電壓差回授至 PWM 的控制器，利用這誤差電 壓訊號來改變脈波寬度的大小，如果輸出電壓過高，脈波寬度會減小，
進而減小電源供應，使得輸出電壓回復至正常輸出值。
PFC 就是利用這個方法，但是加入一個更先進的元件使得來自交流 電源的電流是一個正弦波並且與交流電壓同相位，此時誤差電壓訊號的 調變是由整流後的交流電壓和輸出電壓的變化來控制，最後誤差電壓訊 號回授至PWM 控制器，也就是說當交流電壓較高時 PFC 電路就從交流 電源吸取較多的功率，反之若交流電壓較低則吸引較少的功率，如此可 以減少交流電流的諧波產生。
MOSFET 開關元件的選擇:
開關元件的的耐壓必須大於輸出電壓，當開關導通時候的損失會大 於切換時候的損失，因此在選擇功率MOSFET 的時候必須挑選導通電 阻較小的為考量。
功率二極體的選擇:
二極體的選擇也是必須考慮低導通電阻為佳，在耐壓方面也是也是 要大於輸出電壓以確保電路的正常工作，在功率因數修正級中並不需要 考慮到二極體的逆向高速恢復速度。
PFC 的操作
在功率因數修正器動作時，必須保持下列情形：
A.交流電源提供的有效功率必須維持定值，就算是交流電源有異動。這 也是表示輸入的交流電壓減少時，則交流電流必須增加。
B.瞬間的電源輸入電流要隨著電源的瞬時電壓而變動，以保證輸入電流 是一個正弦波並且與電壓同相。
C.不管負載如何變動，直流輸出電壓仍必須保持一定。例如，若直流輸 出電壓下降，則流經負載的電流必須增加至電壓回復為止。
電壓誤差放大器如圖4-13 所示，在應用中對於輸入的交流電壓變化 不能做任何補償，這是因為在PFC 中的橋氏整流器輸出不是一個完美的 純直流波形，這個高壓訊號是交流電源經過全波整流的漣波，並不能用 穩壓電容來消除，控制 IC 有一個 PIN 腳被用來做偵測此一漣波電壓的 變化。電壓回授的誤差電壓和全波整流電壓的變化可改變參考電流的大 小，之後再與感應的迴路電流做比較去控制 L6561 的輸出也就是 PWM 的輸出，然後再產生一個驅動訊號推動MOSFET 的閘極。
圖4-11:功率因數修正器簡化之方塊圖[20]
圖4-12：Boost PFC電流[20]
圖4-13:升壓型架構的功率因數修正電路及其控制器(資料來源:[16])