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開(kāi)關(guān)電源功率因素校正(PFC)及其工作原理

作者: 時(shí)間:2016-12-07 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  1 引言

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201612/327418.htm

  開(kāi)關(guān)電源以其效率高、功率密度高而在電源領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位。但傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源存在一個(gè)致命的弱點(diǎn),功率因數(shù)低,一般為0.45~0.75,而且其無(wú)功分量基本上為高次諧波,其中3次諧波幅度約為基波幅度的95%,5次諧波幅度約為基波幅度的70%,7次諧波幅度約為基波幅度的45%,9次諧波幅度約為基波幅度的25%。大量高次諧波電流倒灌回電網(wǎng),對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重的污染。為此,IEC(國(guó)際電工委員會(huì))制定了限制高次諧波的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),最新標(biāo)準(zhǔn)為IEC1000-3-2D類。美國(guó)、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家已制定了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn),并強(qiáng)制執(zhí)行,對(duì)于不滿足諧波標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)關(guān)電源不允許上電網(wǎng)。我國(guó)也制定了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。因此,隨著減小諧波標(biāo)準(zhǔn)的廣泛應(yīng)用,更多的電源設(shè)計(jì)需要結(jié)合功率因數(shù)校正(PFC)功能 [1]~[4]。

  2 高次諧波和功率因數(shù)校正的關(guān)系

  一般開(kāi)關(guān)電源輸入市電經(jīng)整流后對(duì)電容充電,其輸入電流波形為不連續(xù)的脈沖。這種電流除了基波分量外,還含有大量的諧波。其有效值I為:

  式(1)中:I1,I2,…,In分別表示輸入電流的基波分量與各次諧波分量。

  諧波電流使電力系統(tǒng)的電壓波形發(fā)生畸變,將各次諧波有效值與基波有效值的比稱為總諧波畸變THD(Total Harmonic Distortion)。

  它用來(lái)衡量電網(wǎng)的污染程度。脈沖狀電流使正弦電壓波形發(fā)生畸變,它對(duì)自身及同一系統(tǒng)的其他電子設(shè)備產(chǎn)生惡劣的影響,如引起電子設(shè)備的誤操作,引起電話網(wǎng)噪音,引起照明設(shè)備的障礙,造成變電站的電容、扼流圈的過(guò)熱、燒損等。

  功率因數(shù)定義PFC=有功功率/視在功率,是指被有效利用功率的百分比。沒(méi)有被利用的無(wú)效功率則在電網(wǎng)與電源設(shè)備之間往返流動(dòng),不僅增加線路損耗,而且成為污染源。

  設(shè)電容輸入型電路的輸入電壓為:

  輸入電流為:

  則有效功率Pac為:

  則有效功率Pap為:

  從式(2)、(5)可見(jiàn),抑制諧波分量即可達(dá)到減小THD、提高功率因數(shù)的目的。

  3 功率因數(shù)校正的實(shí)現(xiàn)方法

  從不同的角度看,功率因數(shù)校正技術(shù)有不同分類方法。從電網(wǎng)供電方式可分為單相PFC電路和三相PFC電路;從采用的校正機(jī)理可分為無(wú)源功率因數(shù)校正(PPFC)和有源功率因數(shù)校正(Active Power Factor Correction,簡(jiǎn)稱APFC)兩種。

  無(wú)源功率因數(shù)校正技術(shù)出現(xiàn)最早,通常由大容量的電感、電容組成。它只是針對(duì)電源的整體負(fù)載特性表現(xiàn),在開(kāi)關(guān)整流器的交流輸入端加入電感量很大的低頻電感,以減小濾波電容充電電流尖峰。由于加入的電感體積大,增加了開(kāi)關(guān)整流器的體積,此方法雖然簡(jiǎn)單,但效果不很理想,適于應(yīng)用到重量體積不受限制的小型設(shè)備。

  有源功率因數(shù)校正是用一個(gè)轉(zhuǎn)換器串入整流濾波電路與DC/DC轉(zhuǎn)換器之間(基本原理如圖1所示),通過(guò)特殊的控制強(qiáng)迫輸入電流跟隨輸入電壓,反饋輸出電壓使之穩(wěn)定,從而使DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入實(shí)現(xiàn)預(yù)穩(wěn)。這種方法的特點(diǎn)是控制復(fù)雜,但體積大大減小,設(shè)計(jì)也易優(yōu)化,從而進(jìn)一步提高了性能。由于這個(gè)方案中應(yīng)用了有源器件,故稱為有源功率因數(shù)校正。

  從原理圖來(lái)看,APFC基本電路就是一種開(kāi)關(guān)電源,但它與傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源的區(qū)別在于:DC/DC變換之前沒(méi)有濾波電容,電壓是全波整流器輸出的半波正弦脈動(dòng)電壓,這個(gè)正弦半波脈動(dòng)直流電壓和整流器的輸出電流與輸出的負(fù)載電壓都受到實(shí)時(shí)的檢測(cè)與監(jiān)控,其控制的結(jié)果是達(dá)到全波整流器輸入功率因數(shù)近似為1。

  4 功率因數(shù)校正技術(shù)的分類

  目前市場(chǎng)上使用較多的是單相高頻開(kāi)關(guān)電源,針對(duì)這種情況,我們對(duì)單相有源功率因數(shù)校正(APFC)作一簡(jiǎn)單分類。

  一般主要有兩種基本的APFC:一種是變換器工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式的“電壓跟隨器”型;另一種是變換器工作在連續(xù)導(dǎo)電模式的“乘法器”型。另外,還有三電平PFC技術(shù)、單周期控制的PFC技術(shù)和不連續(xù)電容電壓模式PFC技術(shù)等。還可以從采用的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的角度進(jìn)一步對(duì)上述兩種模式的APFC加以分類。

  從軟開(kāi)關(guān)特性來(lái)劃分,APFC電路可分為兩類,一類是零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)PFC技術(shù),另一類是零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)PFC技術(shù)。按軟開(kāi)關(guān)的具體實(shí)現(xiàn)方法還可進(jìn)一步劃分為:并聯(lián)諧振型、串聯(lián)諧振型、串并聯(lián)諧振型以及準(zhǔn)諧振型等軟開(kāi)關(guān)諧振APFC技術(shù)[5]。

  從控制方法來(lái)分,APFC電路可以采用脈寬調(diào)制(PWM)、頻率調(diào)制(FM)、數(shù)字控制、單環(huán)電壓反饋控制、雙環(huán)電流模式控制等多種控制方法。

  單相有源功率因數(shù)校正按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為兩級(jí)模式和單級(jí)模式。

  4.1兩級(jí)有源功率因數(shù)校正

  目前研究的兩級(jí)PFC電路是由兩級(jí)轉(zhuǎn)換器組成:第一級(jí)是PFC轉(zhuǎn)換器,目的在于提高輸入的功率因數(shù)并抑制輸入電流的高次諧波;第二級(jí)為DC/DC轉(zhuǎn)換器,目的在于調(diào)節(jié)輸出以便與負(fù)載匹配。具體實(shí)現(xiàn)方式很多,在通信用大功率開(kāi)關(guān)整流器中,主要采用的方法是在主電路輸入整流和功率轉(zhuǎn)換電路之間串入一個(gè)校正的環(huán)節(jié)(Boost PFC電路)。典型的兩級(jí)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

  由于兩級(jí)分別有自己的控制環(huán)節(jié),所以電路有良好的性能。它具有功率因數(shù)高、輸入電流諧波含量低,以及可對(duì)DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。但兩級(jí)PFC電路也有兩個(gè)主要缺點(diǎn):一是由于有兩套裝置,增加了器件的數(shù)目和成本;二是能量經(jīng)兩次轉(zhuǎn)換,電源的效率也會(huì)有所降低。因此,兩級(jí)PFC電路一般應(yīng)用于功率較大的電路中。對(duì)于小功率的場(chǎng)合,由于成本及體積的限制,一般采用單級(jí)功率因數(shù)校正電路。

  4.2單級(jí)有源功率因數(shù)校正

  單級(jí)PFC技術(shù)的基本思想,是將有源PFC轉(zhuǎn)換器和DC/DC轉(zhuǎn)換器合二為一。兩個(gè)轉(zhuǎn)換器共用一套開(kāi)關(guān)管和控制電路(電路如圖3所示),因此單級(jí)PFC技術(shù)降低了成本,提高了效率,減小了電路的重量和體積。

  單級(jí)PFC電路具有許多優(yōu)點(diǎn):PFC級(jí)和DC/DC級(jí)共用1個(gè)開(kāi)關(guān)管,共用1套控制電路,這就使得電路設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)捷,降低了硬件成本;變換中能提供任何選定的電壓和電流比;由于功率實(shí)現(xiàn)的是一次性變換,所以能獲得較高的效率和可靠性。單級(jí)PFC電路正因?yàn)榫哂羞@些優(yōu)良的性能而越來(lái)越得到廣泛的研究和應(yīng)用。

  但是,與傳統(tǒng)的兩級(jí)式DC/DC轉(zhuǎn)換器相比,單級(jí)PFC轉(zhuǎn)換器要承受更高的電壓應(yīng)力,有更多的功率損耗。這個(gè)問(wèn)題在開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)顯得尤為突出。而且,由于開(kāi)關(guān)工作頻率不斷提高所帶來(lái)的電磁干擾問(wèn)題也日益嚴(yán)重,顯著影響了轉(zhuǎn)換器工作的可靠性和頻率的提高。單級(jí)方案中還存在儲(chǔ)能電容電壓過(guò)高的情況,而且儲(chǔ)能電容電壓隨著輸入電壓及負(fù)載的變化而升高,這將會(huì)導(dǎo)致電路的穩(wěn)態(tài)特性受到一定的影響,同時(shí)某些元器件的體積成本會(huì)有所提高,這都是期待解決的問(wèn)題。通過(guò)比較可知,在輸出功率相同的情況下,單級(jí)功率因數(shù)校正電路在功率因數(shù)校正能力和電源的轉(zhuǎn)換效率等方面,相對(duì)于兩級(jí)功率因數(shù)校正電路而言,相對(duì)要差一些。近些年,專家學(xué)者先后提出了許多零電壓及零電流軟開(kāi)關(guān)技術(shù),特別是將軟開(kāi)關(guān)技術(shù)與單級(jí)隔離型PFC技術(shù)結(jié)合在一起的方法,另外,怎樣降低儲(chǔ)能電容上的電壓也是現(xiàn)在單級(jí)功率因數(shù)校正研究的熱點(diǎn)。

  5 有源功率因數(shù)校正的控制方式

  根據(jù)電感電流是否連續(xù),APFC有下面幾種工作模式:不連續(xù)導(dǎo)通模式DCM(Discontinuous Conduction Mode)和連續(xù)導(dǎo)通模式CCM(Continuous Conduction Mode)。一般認(rèn)為,采用電流連續(xù)導(dǎo)通方式,可利于實(shí)現(xiàn)輸入EMI濾波電路小型化,并可使電流應(yīng)力減小,實(shí)現(xiàn)高效率[6]- [7]。

  DCM控制又稱電壓跟蹤方法(Voltage Follower),它是PFC中簡(jiǎn)單而實(shí)用的一種控制方式。這類轉(zhuǎn)換器工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式,開(kāi)關(guān)管由輸出電壓誤差信號(hào)控制,開(kāi)關(guān)周期為常數(shù)。由于峰值電感電流基本上正比于輸入電壓,因此,輸入電流波形跟隨輸入電壓波形變化。

  DCM控制方式的優(yōu)點(diǎn)是:(1)電路簡(jiǎn)單,不需要乘法器;(2)功率管實(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)通(ZCS)且不承受二極管的反向恢復(fù)電流;(3)輸入電流自動(dòng)跟蹤電壓且保持較小的電流畸變率。

  但是DCM方式存在著以下兩個(gè)主要問(wèn)題:(1)由于電感電流不連續(xù),造成電流紋波較大,對(duì)濾波電路要求高;(2)開(kāi)關(guān)管電流應(yīng)力高,在同等容量情況下,DCM中開(kāi)關(guān)器件通過(guò)的峰值電流是CCM的兩倍,由此導(dǎo)致通態(tài)損耗增加,因此只適用于小功率的場(chǎng)合。

  中大功率電路通常采用CCM工作方式,而CCM根據(jù)是否直接選取瞬態(tài)電感電流作為反饋量,又可分為直接電流控制和間接電流控制。直接電流控制檢測(cè)整流器的輸入電流作為反饋和被控量,具有系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、限流容易、電流控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。直接電流控制有峰值電流控制(PCMC),滯環(huán)電流控制(HCC),平均電流控制(ACMC ),預(yù)測(cè)瞬態(tài)電流控制(PICC),線性峰值電流控制(LPCM),非線性載波控制(NLC)等方式。CCM控制方式的優(yōu)點(diǎn)為:(1)輸入和輸出電流紋波小,THD和EMI小;(2)器件導(dǎo)通損耗小;(3)適用于大功率場(chǎng)合。

APFC的控制電路方式很多,為使控制部分簡(jiǎn)單化、小型化,己有IC廠家生產(chǎn)出各種不同性能和用途的專用集成電路,一般控制方式有兩類:利用乘法器控制法及電壓跟隨器方法。乘法器控制法包括:電流峰值控制、電流滯環(huán)控制以及平均電流控制,電壓跟隨器方法包括:零電流連


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