開(kāi)關(guān)電源功率因數(shù)校正器的基本工作原理

  開(kāi)關(guān)電源是目前使用數(shù)量最多的一種電力電子裝置,可主要分為直流開(kāi)關(guān)電源和交流開(kāi)關(guān)電源兩類(lèi)。直流開(kāi)關(guān)電源的前端一般是由二極管或晶閘管構(gòu)成的非線(xiàn)性整流器,會(huì)產(chǎn)生大量的諧波和無(wú)功功率,使得開(kāi)關(guān)電源的功率因數(shù)比較低,同時(shí)也對(duì)電網(wǎng)形成不良干擾。雖然單臺(tái)套開(kāi)關(guān)電源一般功率不是很大，但是由于使用量大面廣,其影響不容忽視。因此,在眾多開(kāi)關(guān)電源中已經(jīng)實(shí)施高功率因數(shù)校正( PFC)技實(shí)現(xiàn)所謂“綠色電源”。
 
  開(kāi)關(guān)電源的PFC可分為無(wú)源PFC( PPFC)和有源PFC( APFC)。APFC一般是在開(kāi)關(guān)電源的整流器后有一級(jí)按照平均電流或峰值電流等控制方式工作的DC/DC變換器,并且工作在高頻狀態(tài),以實(shí)現(xiàn)近似于1的單位功率因數(shù)。在各種單相APFC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,Bost(升壓)型PFC電路具有主電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、變換效率高以及控制策略易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用較多,也比較典型,如圖1所示。
 
  圖1所示電路的基本工作原理可以簡(jiǎn)單概括為:開(kāi)關(guān)管VT按照功率因數(shù)校正的控制規(guī)律要求工作,時(shí)通時(shí)斷。VT開(kāi)通時(shí),二極管VD截止,此時(shí)電感L儲(chǔ)存能量,負(fù)載R由電容C供電。VT關(guān)斷時(shí),二極管VD導(dǎo)通,L中的儲(chǔ)存能量向負(fù)載端釋放,C充電。

 
  電路有兩種主要工作模式,即斷續(xù)電流模式(DCM)和連續(xù)電流模式( CCM)。所謂DCM是指流經(jīng)電感L的電流i_L在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中不連續(xù),而CCM的i_L則始終連續(xù)。相對(duì)于DCM,由于CCM對(duì)電源利用率高,具有更小的網(wǎng)側(cè)輸入電流紋波和電路開(kāi)關(guān)損耗,同時(shí)也更容易實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)和低諧波失真等,因此在PFC中CCM應(yīng)用居多。但是,CCM卻存在二極管VD的反向恢復(fù)電流較大的問(wèn)題。
 
  在硬開(kāi)關(guān)CCM變換中,開(kāi)關(guān)管VT與二極管VD交替工作,并且流經(jīng)電感L的電流連續(xù)。VT導(dǎo)通時(shí),VD在有導(dǎo)通電流的情況下被強(qiáng)行截止,會(huì)產(chǎn)生較大的反向恢復(fù)電流,給電路工作帶來(lái)許多問(wèn)題。如,過(guò)高的di/dt以及由此導(dǎo)致的嚴(yán)重電磁干擾和電壓電流應(yīng)力;使VD產(chǎn)生較大的反向恢復(fù)損耗以及由此引發(fā)的開(kāi)關(guān)管VT較大的開(kāi)通損耗等。當(dāng)然,如果將軟開(kāi)關(guān)或者無(wú)損吸收技術(shù)應(yīng)用到電路中,對(duì)解決這些問(wèn)題無(wú)疑可以起到很好的效果。但是,這樣做需要給電路增加若干元器件,不僅增加了電源的制造成本,并且使電路拓?fù)涞膹?fù)雜性增加,降低了電源的工作可靠性。另外,增加的元器件在工作中也要有一定的損耗,從節(jié)能和提高變換器的轉(zhuǎn)換效率角度考慮也未必十分有利。



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