開關(guān)電源的功率因數(shù)校正

  通常，開關(guān)電源的輸入級(jí)采用二極管構(gòu)成的不可控容性整流電路，如圖1所示。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高，但致命的缺點(diǎn)是其輸入電流不是正弦波，而是位于電壓峰值附近的脈沖波，如圖2所示。這種電流波形中含有大量諧波成分，因此該電路的功率因數(shù)很低，通常僅能達(dá)到0.5～0.7，總諧波含量(THD)可達(dá)100%~150%，對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重的污染。

  追究這一問(wèn)題產(chǎn)生的原因，在于二極管整流電路不具有對(duì)輸入電流的可控性，當(dāng)電源電壓高于電容電壓時(shí)，二極管導(dǎo)通，電源電壓低于電容電壓時(shí)，二極管不導(dǎo)通，輸入電流為零，這樣就形成了電源電壓峰值附近的電流脈沖。
  解決這一問(wèn)題的辦法就是對(duì)電流脈沖的幅值進(jìn)行抑制，使電流波形盡量接近正弦波，這一過(guò)程稱為功率因數(shù)校正(Power Factor Correction——PFC)。根據(jù)采用的具體方法不同，可以分成無(wú)源功率因數(shù)校正和有源功率因數(shù)校正兩種。
  無(wú)源功率因數(shù)校正技術(shù)通過(guò)在二極管整流電路中增加電感、電容等無(wú)源元件和二極管，對(duì)電路中的電流脈沖進(jìn)行抑制，以降低電流諧波含量，提高功率因數(shù)。圖3所示為一種典型的無(wú)源功率因數(shù)校正電路。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、可靠，無(wú)需進(jìn)行控制，而缺點(diǎn)是增加的無(wú)源元件通常體積很大，成本也較高，并且功率因數(shù)通常僅能校正至0.95左右，而諧波含量?jī)H能降至30%左右，難以滿足現(xiàn)行諧波標(biāo)準(zhǔn)的要求。  
  有源功率因數(shù)校正技術(shù)采用全控開關(guān)器件構(gòu)成的開關(guān)電路對(duì)輸入電流的波形進(jìn)行控制，使之成為與電源電壓同相的正弦波，總諧波含量可以降低至5%以下，而功率因數(shù)能高達(dá)0.995，從而徹底解決整流電路的諧波污染和功率因數(shù)低的問(wèn)題。然而有源功率因數(shù)校正技術(shù)也存在～些缺點(diǎn)，如電路和控制較復(fù)雜，開關(guān)器件的高速開關(guān)造成電路中開關(guān)損耗較大，效率略低于無(wú)源功率因數(shù)校正電路等。但是由于采用有源功率因數(shù)校正技術(shù)可以非常有效地降低諧波含量、提高功率因數(shù)，從而滿足現(xiàn)行最嚴(yán)格的諧波標(biāo)準(zhǔn)的要求，因此其應(yīng)用越來(lái)越廣泛。
  值得提到的是，單相有源功率因數(shù)校正電路較為簡(jiǎn)單，僅有1個(gè)全控開關(guān)器件。該電路容易實(shí)現(xiàn)，可靠性也較高，因此應(yīng)用非常廣泛，基本上已經(jīng)成為功率在0.5～3kW范圍內(nèi)的單相輸入開關(guān)電源的標(biāo)準(zhǔn)電路形式。然而三相有源功率因數(shù)校正電路結(jié)構(gòu)和控制較復(fù)雜，成本也很高，因此目前三相輸入的開關(guān)電源通常還采用無(wú)源功率因數(shù)校正技術(shù)。針對(duì)三相功率因數(shù)校正技術(shù)的研究還在積極進(jìn)行。
 
  一、單相功率因數(shù)校正電路
  開關(guān)電源中常用的單相PFC電路如圖3所示。這一電路實(shí)際上是二極管整流電路加上升壓型斬波電路構(gòu)成的，下面簡(jiǎn)單介紹用斬波電路實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正的工作原理。
  由于采用升壓斬波電路，當(dāng)輸入電壓高于輸出電壓時(shí)，電感L的電流受開關(guān)S的通斷控制，S通時(shí)，電感L的電流增長(zhǎng)，S斷時(shí)，電感L的電流下降。因此控制S的占空比按正弦絕對(duì)值規(guī)律變化，且與輸入電壓同相，就可以控制電感L的電流波形為正弦絕對(duì)值，從而使輸入電流的波形為正弦波，且與輸入電壓同相，輸入功率因數(shù)為1。
  圖4a中的電流跟蹤控制電路使電感電流跟蹤電流給定信號(hào)，而電流給定信號(hào)的波形為正弦絕對(duì)值，因此電感電流的波形也是正弦絕對(duì)值，從而實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正。電壓控制電路根據(jù)升壓斬波電路的輸出電壓與給定電壓間的誤差，調(diào)節(jié)電感電流的大小，以達(dá)到控制輸出電壓的目的。電壓控制電路的輸出信號(hào)是平穩(wěn)的直流信號(hào)，用乘法器將該信號(hào)同正弦絕對(duì)值信號(hào)相乘，得到幅值跟隨電壓控制電路輸出變化的正弦絕對(duì)值信號(hào)，作為電流跟蹤環(huán)的給定信號(hào)。   在有源PFC電路中，常用的電流跟蹤控制方法有平均電流控制、峰值電流控制等，其中平均電流控制適用于功率為500W~3kW的PFC電路，峰值電流控制適用于功率小于500W的PFC電路。
  在開關(guān)電源中，采用有源PFC電路帶來(lái)以下好處：
  1)輸入功率因數(shù)提高，輸入諧波電流減小，降低了電源對(duì)電網(wǎng)的干擾，滿足了現(xiàn)行諧波限制標(biāo)準(zhǔn)的要求。
  2)由于輸入功率因數(shù)的提高，在輸入相同有功功率的條件下，輸入電流有效值明顯減小，降低了對(duì)線路、開關(guān)、連接件電流容量的要求。
  3)由于有升壓斬波電路，電源允許的輸入電壓范圍擴(kuò)大，通常可以達(dá)到90～270V,能適應(yīng)世界各國(guó)不同的電網(wǎng)電壓、極大地提高電源裝置的可靠性和靈活性。
  4)由于升壓斬波電路的穩(wěn)壓作用，整流電路輸出電壓波動(dòng)顯著減小，使后級(jí)DC/DC變換電路的工作點(diǎn)保持穩(wěn)定，有利于提高控制精度和效率。
  但加入該電路會(huì)使電源總效率下降3%～5%，這是不利的影響。
  下面簡(jiǎn)單介紹在單相PFC電路中常用的UC3854控制芯片。
  UC3854是美國(guó)Unitrode公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的PFC專用控制集成電路，它集成了PFC電路控制所需的電壓控制、平均電流跟蹤控制、乘法器、驅(qū)動(dòng)、保護(hù)和基準(zhǔn)源等全部電路，使用很方便。其主要特點(diǎn)和技術(shù)參數(shù)如下：
  電源電壓：18～35V
  工作頻率：10～200kHz
  基準(zhǔn)源電壓：7.5V
  驅(qū)動(dòng)電流：0.5A(平均值)，1.5A(峰值)
  該芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及構(gòu)成的典型電路如圖5所示。   圖中，電壓放大器VA及其外部元件構(gòu)成PI型電壓控制電路，正弦絕對(duì)值參考信號(hào)來(lái)自主電路中整流橋輸出端，通過(guò)引腳IAC送入乘法器，乘法器將電壓放大器的輸出信號(hào)(VA Out)與正弦絕對(duì)值參考信號(hào)(IAC)相乘，作為電流跟蹤放大器CA的給定。為了提高電壓控制的快速性，乘法器還將電流給定信號(hào)除以輸入電壓有效值的平方，這并當(dāng)輸入電壓發(fā)生變化時(shí)，電流給定隨之變化，無(wú)需經(jīng)電壓放大器調(diào)節(jié)，這稱為前饋控制。例如，在后級(jí)功率保持恒定的條件下，輸入電壓突然變高，PFC的輸入電流應(yīng)相應(yīng)減小，以保持輸入功率同輸出功率的平衡。如沒有前饋控制，這一調(diào)節(jié)過(guò)程將由調(diào)節(jié)速度較慢的電壓放大器完成，并由于調(diào)節(jié)過(guò)程中暫時(shí)的功率不平衡導(dǎo)致輸出電壓的較大幅度波動(dòng)，而通過(guò)前饋控制，這一調(diào)節(jié)過(guò)程可以在瞬時(shí)完成，減小了輸出電壓的波動(dòng)。
  主電路中的電流采用0.25Ω電阻檢測(cè)，電流放大器CA及其外部電路構(gòu)成PI型電流控制器，該控制器輸出的控制量經(jīng)鋸齒波比較電路后形成PWM信號(hào)，由驅(qū)動(dòng)電路輸出，驅(qū)動(dòng)主電路中的開關(guān)器件。
 
  二、三相功率因數(shù)校正電路
  三相PFC電路的形式較多，下面簡(jiǎn)單介紹具有代表性的兩種。
  1.三相單開關(guān)PFC電路
  三相單開關(guān)PFC電路如圖6所示。   該電路是工作在電流不連續(xù)模式的升壓斬波電路，連接三相輸入的三個(gè)電感LA～LC的電流在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)都是不連續(xù)的，電路中的二極管都應(yīng)采用快速恢復(fù)二極管，電路的輸出電壓應(yīng)高于輸入線間電壓峰值方能正常工作。該電路工作時(shí)的原理性波形如圖7b所示。
    當(dāng)S開通后、連接三相的電感電流值均從零開始線性上升(正向或負(fù)向)，直到開關(guān)S關(guān)斷，S關(guān)斷后，三相電感電流通過(guò)VD7向負(fù)載側(cè)流動(dòng)，并迅速下降到零。
  在每一個(gè)開關(guān)周期中，電感電流是三角形或接近三角形的電流脈沖，那么在輸入電源的一個(gè)周期內(nèi)，線電流的波形是什么樣的呢，以iA為例，如圖7b，當(dāng)S導(dǎo)通期間，即t=0~t_on，iA線性上升，當(dāng)S關(guān)斷時(shí)達(dá)到峰值IAP。假設(shè)開關(guān)頻率較高，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，A相輸入電壓uA變化很小，變化量可以忽略，則可得到IAP的表達(dá)式如下：   而圖中陰影部分的面積為   假設(shè)S關(guān)斷后電流iA下降很快，則圖7b中非陰影部分的面積很小，可以忽略。這樣，在這一開關(guān)周期內(nèi)電流iA的平均值近似為 式中LA、T——常數(shù)。
  如果在輸入電源周期內(nèi)，t_on保持不變，則開關(guān)周期內(nèi)電流iA的平均值iA的波形跟隨輸入電源電壓uA的波形，因此iA的波形是正弦波。
  在分析中略去了圖7b中非陰影部分的電流，因此實(shí)際的iA的波形同正弦波相比有些畸變?？梢韵胂?，如果輸出直流電壓很高，則開關(guān)S關(guān)斷后電流下降就很快，被略去的電流面積就很小，則iA的波形同正弦波的近似程度高，其波形畸變小。因此對(duì)于三相380V輸入的單開關(guān)PFC電路，其輸出電壓通常高于800V，這時(shí)，其輸入功率因數(shù)可達(dá)0.98以上，輸入電流諧波含量小于20%，完全可以滿足現(xiàn)行諧波標(biāo)準(zhǔn)的要求。
  由于該電路工作于電流斷續(xù)模式，電路中電流峰值高，開關(guān)器件的通態(tài)損耗和開關(guān)損耗都很大，因此適用于3～6kW的中小功率電源中。
 
  2.三相6開關(guān)PFC電路
  通常被稱為三相PWM整流電路或單位功率因數(shù)變流電路。該電路的結(jié)構(gòu)如圖8所示。   在這一電路中，同相上下兩開關(guān)的通、斷互補(bǔ)，并留有死區(qū)。電感LA的電流可由開關(guān)S1、S2的通斷控制，因此通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)制S1、S2的占空比，就可以使A相電流跟蹤A相電壓。同樣，B、C相的電流也跟蹤B、C相電壓，這樣就實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正。
  該電路仍屬于升壓型電路，所以輸出電壓應(yīng)高于輸入線電壓峰值。采用這一電路，輸入電流諧波含量可降低至5%以下，功率因數(shù)可高于0.995?？梢詽M足未來(lái)最嚴(yán)格的諧波標(biāo)準(zhǔn)的要求。
  這種電路性能優(yōu)越，但所需開關(guān)數(shù)較多，且控制復(fù)雜，電路成本高，因此適用于容量為5～10kW的大功率電源，或?qū)χC波及功率因數(shù)要求非?？量痰碾娫粗?。
 
  三、軟開關(guān)功率因數(shù)校正電路
  PFC電路雖然解決了輸入電流諧波和功率因數(shù)的問(wèn)題，但降低了電源的總效率，這是人們所不希望的。PFC電路的損耗中很大一部分是開關(guān)器件的開關(guān)損耗，因此出現(xiàn)了采用軟開關(guān)技術(shù)的PFC電路，這些電路成功地降低了開關(guān)損耗，提高了PFC電路的效率，有些已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。下面就簡(jiǎn)單介紹其中應(yīng)用最多的ZVT PWM軟開關(guān)PFC電路和ZCT PWM軟開關(guān)PFC電路。
  1.單相ZVT PWM軟開關(guān)PFC電路
  電路結(jié)構(gòu)如圖9所示。   該電路中S1、Lr、VD6等元器件構(gòu)成輔助諧振網(wǎng)絡(luò)，使主開關(guān)S工作在零電壓開通的條件下，顯著減小了開關(guān)損耗。采用該技術(shù)可以使單相PFC電路的效率由硬開關(guān)方式的95%提高到98%，效果是很明顯的。
 
  2.三相單開關(guān)ZCT PWM軟開關(guān)PFC電路
  電路結(jié)構(gòu)如圖10所示。   該電路中S1、Lr,、Cr等元件構(gòu)成輔助諧振電路，使主開關(guān)S工作在零電流關(guān)斷的條件下。由于三相單開關(guān)PFC電路中主開關(guān)器件關(guān)斷電流峰值很高，承受的電壓也很高，主開關(guān)器件常采用IGBT，因此關(guān)斷損耗通常較大，采用零電流關(guān)斷技術(shù)后，電路效率會(huì)明顯提高，可達(dá)95%-97%。
 



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