開關電源的功率因數(shù)校正技術 電路圖整理

 通常，開關電源的輸入級采用二極管構成的不可控容性整流電路，如圖1所示。這種電路的優(yōu)點是結構簡單、成本低、可靠性高，但致命的缺點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，通常僅能達到0.5～0.7，總諧波含量(THD)可達100%~150%，對電網(wǎng)造成嚴重的污染。

  追究這一問題產(chǎn)生的原因，在于二極管整流電路不具有對輸入電流的可控性，當電源電壓高于電容電壓時，二極管導通，電源電壓低于電容電壓時，二極管不導通，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。
  解決這一問題的辦法就是對電流脈沖的幅值進行抑制，使電流波形盡量接近正弦波，這一過程稱為功率因數(shù)校正(Power Factor Correction——PFC)。根據(jù)采用的具體方法不同，可以分成無源功率因數(shù)校正和有源功率因數(shù)校正兩種。
  無源功率因數(shù)校正技術通過在二極管整流電路中增加電感、電容等無源元件和二極管，對電路中的電流脈沖進行抑制，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源功率因數(shù)校正電路。這種方法的優(yōu)點是簡單、可靠，無需進行控制，而缺點是增加的無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，而諧波含量僅能降至30%左右，難以滿足現(xiàn)行諧波標準的要求。  
  有源功率因數(shù)校正技術采用全控開關器件構成的開關電路對輸入電流的波形進行控制，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)低的問題。然而有源功率因數(shù)校正技術也存在～些缺點，如電路和控制較復雜，開關器件的高速開關造成電路中開關損耗較大，效率略低于無源功率因數(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)行最嚴格的諧波標準的要求，因此其應用越來越廣泛。
  值得提到的是，單相有源功率因數(shù)校正電路較為簡單，僅有1個全控開關器件。該電路容易實現(xiàn)，可靠性也較高，因此應用非常廣泛，基本上已經(jīng)成為功率在0.5～3kW范圍內(nèi)的單相輸入開關電源的標準電路形式。然而三相有源功率因數(shù)校正電路結構和控制較復雜，成本也很高，因此目前三相輸入的開關電源通常還采用無源功率因數(shù)校正技術。針對三相功率因數(shù)校正技術的研究還在積極進行。
 
  一、單相功率因數(shù)校正電路
  開關電源中常用的單相PFC電路如圖3所示。這一電路實際上是二極管整流電路加上升壓型斬波電路構成的，下面簡單介紹用斬波電路實現(xiàn)功率因數(shù)校正的工作原理。
  由于采用升壓斬波電路，當輸入電壓高于輸出電壓時，電感L的電流受開關S的通斷控制，S通時，電感L的電流增長，S斷時，電感L的電流下降。因此控制S的占空比按正弦絕對值規(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，而電流給定信號的波形為正弦絕對值，因此電感電流的波形也是正弦絕對值，從而實現(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，以達到控制輸出電壓的目的。電壓控制電路的輸出信號是平穩(wěn)的直流信號，用乘法器將該信號同正弦絕對值信號相乘，得到幅值跟隨電壓控制電路輸出變化的正弦絕對值信號，作為電流跟蹤環(huán)的給定信號。   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。
  在開關電源中，采用有源PFC電路帶來以下好處：
  1)輸入功率因數(shù)提高，輸入諧波電流減小，降低了電源對電網(wǎng)的干擾，滿足了現(xiàn)行諧波限制標準的要求。
  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，降低了對線路、開關、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大，通?？梢赃_到90～270V,能適應世界各國不同的電網(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顯著減小，使后級DC/DC變換電路的工作點保持穩(wěn)定，有利于提高控制精度和效率。
  但加入該電路會使電源總效率下降3%～5%，這是不利的影響。
  下面簡單介紹在單相PFC電路中常用的UC3854控制芯片。
  UC3854是美國Unitrode公司設計生產(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、保護和基準源等全部電路，使用很方便。其主要特點和技術參數(shù)如下：
  電源電壓：18～35V
  工作頻率：10～200kHz
  基準源電壓：7.5V
  驅(qū)動電流：0.5A(平均值)，1.5A(峰值)
  該芯片的內(nèi)部結構及構成的典型電路如圖5所示。   圖中，電壓放大器VA及其外部元件構成PI型電壓控制電路，正弦絕對值參考信號來自主電路中整流橋輸出端，通過引腳IAC送入乘法器，乘法器將電壓放大器的輸出信號(VA Out)與正弦絕對值參考信號(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除以輸入電壓有效值的平方，這并當輸入電壓發(fā)生變化時，電流給定隨之變化，無需經(jīng)電壓放大器調(diào)節(jié)，這稱為前饋控制。例如，在后級功率保持恒定的條件下，輸入電壓突然變高，PFC的輸入電流應相應減小，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)過程中暫時的功率不平衡導致輸出電壓的較大幅度波動，而通過前饋控制，這一調(diào)節(jié)過程可以在瞬時完成，減小了輸出電壓的波動。
  主電路中的電流采用0.25Ω電阻檢測，電流放大器CA及其外部電路構成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，由驅(qū)動電路輸出，驅(qū)動主電路中的開關器件。
 
  二、三相功率因數(shù)校正電路
  三相PFC電路的形式較多，下面簡單介紹具有代表性的兩種。
  1.三相單開關PFC電路
  三相單開關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電感LA～LC的電流在每個開關周期內(nèi)都是不連續(xù)的，電路中的二極管都應采用快速恢復二極管，電路的輸出電壓應高于輸入線間電壓峰值方能正常工作。該電路工作時的原理性波形如圖7b所示。
    當S開通后、連接三相的電感電流值均從零開始線性上升(正向或負向)，直到開關S關斷，S關斷后，三相電感電流通過VD7向負載側(cè)流動，并迅速下降到零。
  在每一個開關周期中，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周期內(nèi)，線電流的波形是什么樣的呢，以iA為例，如圖7b，當S導通期間，即t=0~t_on，iA線性上升，當S關斷時達到峰值IAP。假設開關頻率較高，在一個開關周期內(nèi)，A相輸入電壓uA變化很小，變化量可以忽略，則可得到IAP的表達式如下：   而圖中陰影部分的面積為   假設S關斷后電流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S關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。因此對于三相380V輸入的單開關PFC電路，其輸出電壓通常高于800V，這時，其輸入功率因數(shù)可達0.98以上，輸入電流諧波含量小于20%，完全可以滿足現(xiàn)行諧波標準的要求。
  由于該電路工作于電流斷續(xù)模式，電路中電流峰值高，開關器件的通態(tài)損耗和開關損耗都很大，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。該電路的結構如圖8所示。   在這一電路中，同相上下兩開關的通、斷互補，并留有死區(qū)。電感LA的電流可由開關S1、S2的通斷控制，因此通過適當?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足未來最嚴格的諧波標準的要求。
  這種電路性能優(yōu)越，但所需開關數(shù)較多，且控制復雜，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?？量痰碾娫粗小?br />  
  三、軟開關功率因數(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器件的開關損耗，因此出現(xiàn)了采用軟開關技術的PFC電路，這些電路成功地降低了開關損耗，提高了PFC電路的效率，有些已經(jīng)得到廣泛應用。下面就簡單介紹其中應用最多的ZVT PWM軟開關PFC電路和ZCT PWM軟開關PFC電路。
  1.單相ZVT PWM軟開關PFC電路
  電路結構如圖9所示。   該電路中S1、Lr、VD6等元器件構成輔助諧振網(wǎng)絡，使主開關S工作在零電壓開通的條件下，顯著減小了開關損耗。采用該技術可以使單相PFC電路的效率由硬開關方式的95%提高到98%，效果是很明顯的。
 
  2.三相單開關ZCT PWM軟開關PFC電路
  電路結構如圖10所示。   該電路中S1、Lr,、Cr等元件構成輔助諧振電路，使主開關S工作在零電流關斷的條件下。由于三相單開關PFC電路中主開關器件關斷電流峰值很高，承受的電壓也很高，主開關器件常采用IGBT，因此關斷損耗通常較大，采用零電流關斷技術后，電路效率會明顯提高，可達95%-97%。
 



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