有源功率因數(shù)校正技術(shù)在高頻開關(guān)電源中的應(yīng)用研究

1、機(jī)電工程技術(shù)2010年第39卷第02期 收稿日期：20090929，總諧波畸變THD 過大，會(huì)對(duì)母線電網(wǎng)造成了嚴(yán)重的不利影響。，；總諧波畸變文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：10099492(201002008803有源功率因數(shù)校正技術(shù)在高頻開關(guān)電源中的應(yīng)用研究向瓊（廣東電網(wǎng)公司佛山供電局，廣東佛山528000）1引言開關(guān)穩(wěn)壓式電源的效率可以高達(dá)70以上，所以它取代了上一代晶體管線性穩(wěn)壓電源成為當(dāng)今最為廣泛使用的電源。在開關(guān)電源中，電網(wǎng)的交流電經(jīng)過初次晶體管電路整流后，接著并聯(lián)一個(gè)較大的電容（如圖1所示），從而得到波形較為平整的直流電壓，再進(jìn)行下一步的輸出處理，得到用戶滿意的電壓。然而這樣大量使用儲(chǔ)能元

2、件和非線性元件的惡果就是使得電網(wǎng)輸入的交流電流產(chǎn)生嚴(yán)重畸變，從而帶給電網(wǎng)大量的諧波電流，使輸入功率因數(shù)降低。大量的電流諧波分量流入電網(wǎng)后將在電網(wǎng)內(nèi)形成諧波“污染”。一方面產(chǎn)生“二次效應(yīng)”（即電流流過線路阻抗造成諧波電流電壓降，反過來使得原本正弦波的輸入電壓也發(fā)生畸變；另一方面，會(huì)造成電路故障，引起變電設(shè)備的損壞。另外，由于諧波電流的存在，使ACDC電路的輸入功率因數(shù)降低，電網(wǎng)的輸入伏安數(shù)大，而負(fù)載上得到的有效功率卻小。隨著開關(guān)電源設(shè)備的廣泛使用，為了保證電網(wǎng)的供電質(zhì)量，為了提高功率因數(shù)及節(jié)能，制定了一系列的國際標(biāo)準(zhǔn)（如IEC5552和EN605552等）1，限制各次諧波不得大于某個(gè)極限值。2提

3、高功率因數(shù)的方法21無源濾波器這種方法是在圖1所示電路的整流電路和大電容之間串聯(lián)一個(gè)濾波電感，或者在交流側(cè)接入諧振濾波器。其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，低成本，EMI 小，易于實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)是體積重量大，得不到高功率因數(shù)（只能達(dá)到90左右），工作性能與頻率、負(fù)載及輸入電壓有關(guān)，電感與電容將形成大的充放電電流等。22有源功率因數(shù)校正器（有源濾波器）在整流與負(fù)載之間接入DCDC開關(guān)變換器，應(yīng)用電流反饋，使得輸入電流跟隨正弦輸入電壓波形，達(dá)到正弦化的效果，從而使輸入的總諧波電流分量（Total HamonicDistortion ，用THD 表示）限制在5以內(nèi)，功率因數(shù)可達(dá)99以上。因?yàn)樵谶@種方案里面使用了有源元件，所

4、以稱為有源功率因數(shù)校正（Active Power Faction Correction ，簡(jiǎn)稱APFC ）2。它的優(yōu)點(diǎn)是：較高的功率因數(shù)（9799），THD 小，輸入電壓范圍大（90270VAC ），工作的開關(guān)頻帶寬，體積小，重量輕，恒定的輸出電壓；缺點(diǎn)是：電路復(fù)雜，成本高，EMI 高。如今，APFC技術(shù)在開關(guān)電源中得到了廣泛的使用。3功率因數(shù)和總諧波畸變（THD ）因?yàn)殚_關(guān)電源的輸入電流為嚴(yán)重的非正弦，所以在開關(guān)電源中功率因數(shù)的定義和計(jì)算與電工原理里面線性電路的功率因數(shù)計(jì)算有很大的差異。當(dāng)輸入電壓V i （有效值V ）是正弦，輸入電流為非正弦時(shí)，輸入電流的有效值為：圖1AC DC 整流電路應(yīng)

5、機(jī)電工程技術(shù)2010年第39卷第02期I 12n 姨（1）上式中：I i （i 1，2，3n ）為輸入電流各次諧波的有效值。假設(shè)基波電流I 1落后于輸入電壓V i 的相位差為，則此時(shí)的有功功率為P VI 1cos ，功率因數(shù)就可以寫為：PF VI 1cos VI I 1cos I（2）cos 稱為位移因數(shù)，定義總諧波畸變（THD ）為：THD 23n 1姨（3）由此可得：PF I 1cos I 1姨cos （4）PF 與THD 的計(jì)算結(jié)果如表1所示。由表1可見，當(dāng)THD 5時(shí)，PF 值可控制在0999以上。4有源功率因數(shù)校正電路結(jié)構(gòu)APFC 從電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上來說可以分為單級(jí)式和兩級(jí)式（如圖2所

6、示）3。兩級(jí)式電路由前級(jí)PFC 電路（一般是Boost 升壓型）和DC DC 變換器構(gòu)成，前級(jí)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，后級(jí)實(shí)現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié)和隔離，其優(yōu)點(diǎn)是兩級(jí)電路可以單獨(dú)分析、設(shè)計(jì)和控制，也是至今在較大功率場(chǎng)合使用的最多的APFC 電路模式；而單級(jí)式APFC 電路集功率因數(shù)校正、輸出電壓隔離和穩(wěn)壓于一體，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高，但是控制相對(duì)復(fù)雜，適用于功率?。ㄒ话悴怀^200W ）的場(chǎng)合。5APFC 的控制策略根據(jù)電感電流是否連續(xù)，PFC 分為不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM ）和連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM ）。DCM 的控制可以采用恒頻、變頻、等面積等多種方式。CCM 模式根據(jù)是否直接選取瞬態(tài)電感電流作為反饋和被控制量

7、，分為直接電流控制和間接電流控制。DCM 控制又稱電壓跟蹤方法，它是PFC 中簡(jiǎn)單而實(shí)用的一種控制方式，應(yīng)用較為廣泛。DCM 控制模式的特點(diǎn)如下：（1）輸入電流自動(dòng)跟蹤電壓且保持較小的電流畸變率；（2）功率管實(shí)現(xiàn)零電流開通（ZCS ）且不承受二極管的反向恢復(fù)電流；（3）輸入輸出電流紋波較大，對(duì)濾波電路要求高；（4）峰值電流遠(yuǎn)高于平均電流，器件承受較大的應(yīng)力；（5）單相PFC 功率一般小于200W ，三相PFC 功率一般小于10kW 。CCM 相對(duì)于DCM 的優(yōu)點(diǎn)為：（1）輸入和輸出電流紋波小、THD 和EMI 小、濾波容易；（2）RMS 電流小、器件導(dǎo)通損耗小；（3）適用于大功率應(yīng)用場(chǎng)合。CC

8、M 模式下有直接電流控制與間接電流控制兩種方式。直接電流控制的優(yōu)點(diǎn)是電流瞬態(tài)特性好，自身具有過流保護(hù)能力，但需要檢測(cè)瞬態(tài)電流，控制電路復(fù)雜；間接電流控制的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開關(guān)機(jī)理清晰。DCM 控制盡管簡(jiǎn)單，但由于器件承受較大的開關(guān)應(yīng)力。限制了其功率應(yīng)用范圍。CCM 控制中，直接電流控制應(yīng)是發(fā)展的主流，它適用于對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)和快速性要求較高的大功率場(chǎng)合。6一種單級(jí)單相PFC 電路研究在此要進(jìn)行分析研究的是單相并聯(lián)功率因數(shù)校正電路（PPFC ）中的一種。其電路的主電路如圖3所示。PPFC 一般歸類于單級(jí)功率因數(shù)校正中，它是界于兩級(jí)和單級(jí)之間的一種APFC 技術(shù)。此處分析的這種PPFC 電路使用了兩

9、個(gè)反激式變換器，變換器I 主要任務(wù)是通過快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)來調(diào)節(jié)輸出電壓；變換器II 則進(jìn)行輸入電流斬波及功率因數(shù)校正。兩個(gè)變換器共同來傳遞電網(wǎng)功率。這個(gè)電路的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）提供良好的功率因數(shù)和輸出電壓調(diào)節(jié)； （2）輸入電感和直流線電容的體積可以取更小體積的型號(hào)；（3）二極管反向恢復(fù)損耗更小；（4）直流線電壓和電流得到了降低，使得開關(guān)等器件的壓力減小。61電路工作原理t 0t 1：電流不會(huì)同時(shí)流入兩個(gè)繞組之中。當(dāng)開關(guān)管Q h開通，二極管D h 因?yàn)殡妷悍雌P(guān)斷，其上電壓V D 等于 V O V hi n 。05L mh I 2的電能轉(zhuǎn)換為磁能，原邊電流i h 從剩磁電流開始按固定的斜率（V h

10、i L mh ）增加到i dr ，而另一個(gè)變換器的電流i p 則不斷減小，i dr 也不斷減小直到i p 為0時(shí)止。t 1t 2：原邊電流繼續(xù)增加，此時(shí)斜率為V dr （L mh L dr ）。t 2t 3：當(dāng)開關(guān)管Q h 的關(guān)斷時(shí)刻來臨，二極管D h 因?yàn)椋╞ ）單級(jí)型圖2APFC 電路基本拓?fù)洌╝ ）兩級(jí)型PF THD 058114009901409951009985表1PF 與THD 的計(jì)算結(jié)果應(yīng)用技機(jī)電工程技術(shù)2010年第39卷第02期 拆下調(diào)節(jié)設(shè)備底座與產(chǎn)品底座的連接。圖1中的傳動(dòng)系統(tǒng)流入下道工序繼續(xù)裝配其它部件。5結(jié)束語此皮帶調(diào)節(jié)設(shè)備設(shè)計(jì)的主要思路是將中心距的距離調(diào)節(jié)通過傳感器轉(zhuǎn)化

11、為對(duì)皮帶張力的調(diào)節(jié)，降低了各個(gè)零件的加工精度，降低產(chǎn)品總體成本；主要優(yōu)點(diǎn)是調(diào)節(jié)完成的每臺(tái)設(shè)備的皮帶松緊度基本是一致的，不會(huì)因?yàn)橥饨鐥l件的變化使皮帶的松緊度產(chǎn)生不同。此設(shè)備已經(jīng)大量使用在生產(chǎn)中，對(duì)工人的要求降低了，對(duì)產(chǎn)品底座上固定軸孔的中心距加工要求降低了，同時(shí)也對(duì)皮帶長度公差降低了要求，而且極大的提高了生產(chǎn)效率，提高了產(chǎn)品的直通率；此設(shè)計(jì)方案可以應(yīng)用在有皮帶傳動(dòng)的機(jī)構(gòu)上來調(diào)節(jié)皮帶的松緊度，也可以作為一種設(shè)計(jì)方法供廣大工程設(shè)計(jì)人員來參考應(yīng)用。參考文獻(xiàn)：1成大先機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第3卷（第四版）M 北京：北京化工出版社，2002作者簡(jiǎn)介：趙小平，男，1973年生，陜西人，大學(xué)本科，工程師。研究領(lǐng)域：通訊

12、設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與開發(fā)。(編輯：向飛（b ）II 變換器的輸出電壓控制及輸入電流斬波圖4控制方框圖（a ）I 變換器的輸出電壓控制正偏導(dǎo)通，原邊電流停止流動(dòng)，存儲(chǔ)在線圈繞組中的磁能開始釋放到副邊。這時(shí)，開關(guān)管Q h 上的電壓V Qh 為V hi nV o ，i p 等于i dr ，并開始隨著輸入電壓減小而減小，同時(shí)副邊電流i oh 以n 2V o L mh 為斜率減小。62占空比的計(jì)算占空比與V o 、V dr 的關(guān)系如下式：V o drD（5）其中：D 是開關(guān)的占空比；n 為變壓器原副邊匝數(shù)比。從式（5）得到變換器II 的開環(huán)占空比為：D open,h nV o dr o （6）變換器I 的開

13、環(huán)占空比為：D open,p nV o P p,pu dc o p,pu（7）63控制的實(shí)現(xiàn)方式在這個(gè)電路里需要實(shí)現(xiàn)的有兩個(gè)控制環(huán)：一個(gè)是直流電壓輸出環(huán)；另一個(gè)是交流電流輸入環(huán)。具體是通過占空比的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)的，圖4是此電路的控制框圖。這兩個(gè)控制流程用德州儀器公司的DSP TM320LF2407得到實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)工作時(shí)THD 5，效率為86（當(dāng)輸入電壓為120V ，輸出電壓為48V ，輸出功率為200W 時(shí)），結(jié)果令人滿意。變換器I 工作于DCM 狀態(tài)，變換器II 工作于CCM 狀態(tài)。7總結(jié)如今用電設(shè)備的功率因數(shù)問題日益受到重視。有源功率因數(shù)校正技術(shù)APFC 能顯著提高用電設(shè)備的功率因數(shù)，大大提高用電

14、效率，降低總諧波畸變率，在保護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定高效運(yùn)行中發(fā)揮著重要作用。參考文獻(xiàn)：1史立生，尹成群開關(guān)電源功率因數(shù)校正分析J 華北電力學(xué)院學(xué)報(bào)，1995，22（3）：18232毛鴻，吳兆麟有源功率因數(shù)校正器的控制策略綜述J 電力電子技術(shù)，2000（1）：58613陳道煉，嚴(yán)仰光有源功率因數(shù)校正技術(shù)及其應(yīng)用J 電工技術(shù)雜志，1997（1）：46作者簡(jiǎn)介：向瓊，女，1974年生，湖南人，碩士，工程師。研究領(lǐng)域：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化。已發(fā)表論文5篇。(編輯：王智圣圖3帶有兩個(gè)反激變換器的并聯(lián)單級(jí)功率因數(shù)校正電路圖! （上接第56頁）應(yīng)Abstractsresults drives three-dimensio

15、nal model of automatic updates, optimal design of mechanical parts is achieved. It has a good practical value in engineering practice that integrates Pro/E and YU Feng-ling, ZHAN TongMathCAD to complete the optimal design of mechanical parts.Key words: Pro/E; MathCAD; optimal designAbstract:CCD imag

16、e sensor is an integrated photoelectric device developed in recent years. With the function to produce, store and transfer photoelectric signal, CCD image sensor is now widely used in the fields of office manuscripts scanning, 12 automatic detection, position location, optical character ZENG Wen-jia

17、n , NING Zhao-yang recognizing, medical image and so on. This paper explains the general principles of the CCD image sensor and demonstrates its Abstract:The container cranes in port have been studied, it is application in digital duplicator and gives a prospect of its future found that there are so

18、me problems in its structure design and application trend.manufacture. It not only leads to material wasting, but also Key words: CCD; feature; application; digital duplicatorincreases manufacturing costs. The article takes the 125/35t load and unload container as an example, carries on the finite e

19、lement analysis by ANSYS software and the optimization design. The result shows good economic efficiency.CHEN Jian-huanKey words: load and unload bridge; box girder; optimization design; finite element analysisAbstract: Screw thread processing is an important function of lathe CNC system. G32, G33,

20、G34, G92 and G76 are screw thread processing instruction of GSk980TD system. This paper compares the difference between them and indicates the application situation of them.Key words: screw thread processing; programmed efficiency; CHEN Jie, TANG Hai-yuan, ZHOU Jieprecision control; technical traits

21、Abstract: Based on the present status of domestic watch manufacturing industry, this paper investigated the effect of digital design and manufacturing (DDM technology on the automation & precision process of watch manufacturing industry. FANG You-cun With the reference to actual cases of FIYTA,

22、we employed the DDM technology including block-based design, resource Abstract: A student majored in electricity must master the skills database design and flexible manufacturing etc. This preliminary that checking electrical control circuit, finding fault points and established DDM system met the c

23、urrent watch market demand troubleshooting as soon as possible. With the electrician training for small quantity, multiple kinds and high efficiency, which experience, the author summarizes the electrical control circuit verified the pushing effect of DDM in watch manufacturing inspection methods, p

24、rinciples and techniques using resistance industry.measurements.Key words: digital design and manufacturing; watch Key words: control circuit; resistance measurement; circuit manufacturing industry; block-based design; flexible analysis trouble-shootingmanufacturingWANG Jian-ming Abstract: Based on

25、analyzing the origin of automobile noise and the general methods of noise control, methods and measures for XIANG Qiong noise reduction of the automobile engines have been put forward in this paper. At the same time, the active method and passive Abstract: The lower power factor of electric devices

26、and high method of noise reduction are briefly stated.total harmonics distortion (THD should make harm to power Key words: automobile; engines; noise controlgrids. In this paper, we make an analysis of active power factor correction, which is always used in the harmonics elimination.Key words: power

27、 factor; switch-model power supply; total harmonic distortionWANG Jun Abstract:Mechanical product in use often has quality problem, which even causes serious accident. When the product is WU Xiang-di expensive or causing casualty, it often resorts to the law. In this paper, the common accident and i

28、ts reason of used lifting Abstract: Honeywell HC900 hybrid controller is a new control appliance will be analyzed. Meantime, combined with the work system suitable for loop control, logic control and data experience, the security management methods of crane will be acquisition application. A system

29、based on HC900 controller for explored.chlorite production process control is designed in this paper.Key words: lifting appliances; accident; safe managementKey words: DCS; process control; HC900 controller; chlorate production process10-02-94 CCD Image Sensor Application in Digital Duplicator10-02-

30、81 Optimization Design Based ANSYS on the Bridge of Load and Unload Container10-02-97 Analysis and Application of Screw Thread Processing Instruction of Lathe CNC10-02-85 The Application of Digital Design and Manufacturing Technology in Watch Manufacturing Industry10-02-101 Inspection Repair Method of Motor Control Circuit10-02-103 No