功率因數(shù)校正的分析

1、功率因數(shù)校正淺析功率因數(shù)是衡量電器設(shè)備性能的一項重要指標(biāo)。功率因數(shù)低的電器設(shè)備，不僅不利于電網(wǎng)傳輸功率的充分利用，而且往往這些電器設(shè)備的輸入電流諧波含量較高，實踐證明，較高的諧波會沿輸電線路產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，影響其它用電設(shè)備的安全經(jīng)濟運行。如對發(fā)電機和變壓器產(chǎn)生附加功率損耗，對繼電器、自動保護裝置、電子計算機及通訊設(shè)備產(chǎn)生干擾而造成誤動作或計算誤差。因此。防止和減小電流諧波對電網(wǎng)的污染，抑制電磁干擾，已成為全球性普遍關(guān)注的問題。國際電工委與之相關(guān)的電磁兼容法規(guī)對電器設(shè)備的各次諧波都做出了限制性的要求，世界各國尤其是發(fā)達國家已開始實施這一標(biāo)準(zhǔn)。隨著減小諧波標(biāo)準(zhǔn)的廣泛應(yīng)用，更多的電源設(shè)計結(jié)合

2、了功率因數(shù)校正(PFC)功能。設(shè)計人員面對著實現(xiàn)適當(dāng)?shù)腜FC段，并同時滿足其它高效能標(biāo)準(zhǔn)的要求及客戶預(yù)期成本的艱巨任務(wù)。許多新型PFC拓撲和元件選擇的涌現(xiàn)，有助設(shè)計人員優(yōu)化其特定應(yīng)用要求的設(shè)計。在電源的設(shè)計中，APFC一般是優(yōu)先考慮的校正方法。作為設(shè)計人員，大致從以下幾個方面對APFC進行考慮：一、 拓撲選擇的一般方法由于輸入端存在電感，升壓轉(zhuǎn)換器是提供高功率因數(shù)的方法。此電感使輸入電流整形與線路電壓同相。但是，可以采用不同的方案來控制電感電流的瞬時值，以獲得功率因數(shù)校正。a臨界導(dǎo)電模式(CRM)PFC由于控制的設(shè)計較為簡單，而且可與較低速升壓二極管配合使用，所以在較低功率應(yīng)用中通常采用此方法

3、。b不連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)PFC此創(chuàng)新的方案延承了CRM 的優(yōu)點，并消除了若干限制。c連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)PFC由于這種方案恒頻且峰值電流較小，是較高功率(>250 W)應(yīng)用的首選方案。但是，傳統(tǒng)的控制解決方案較為復(fù)雜，牽涉到多個環(huán)路，以及以不精確著稱的模擬乘法器，并需在控制集成電路周圍放許多元件。二、選擇標(biāo)準(zhǔn)1、功率水平a如果功率水平低于150 W，最好采用CRM或DCM方案。至于CRM 或DCM，取決于你是想優(yōu)化滿載效率，采用CRM；而如欲減少EMI問題，選擇DCM。b如功率水平高于250W，CCM是首選方案。此方案雖然可保持峰值電流和有效值電流，但必須解決二極管反向恢復(fù)問題。c

4、如功率水平在150W 與250w之間，方案的選擇則取決于設(shè)計人員的磁件設(shè)計水平。d如果功率在幾kw之上，則采用可控整流電路代替不控整流電路，控制方法采用pwm整流，以實現(xiàn)功率因數(shù)的矯正。2、其它系統(tǒng)要求：拓撲的選擇還以滿足各種高能效標(biāo)準(zhǔn)。例如，如果需要使系統(tǒng)中的頻率同步，則不能采用CRM。此外，如果第二個功率段可處理較大范圍(在某些功率序列安排中可能需要)的輸入電壓，則應(yīng)選擇跟隨升壓。功率因數(shù)的限制因數(shù)：為什么在一般的電路中功率因數(shù)較低呢？有很多因數(shù)的影響。其中影響功率因數(shù)的主要原因是這些電器的整流電源普遍采用的電容濾波型橋式整流電路（圖1）。這種電路的基本工作過程是：在交流輸入電壓的正半周，

5、D1、D3導(dǎo)通，交流電壓通過Dl、D3對濾波電容C充電，若Dl、D3的正向電阻用r表示，交流電源內(nèi)阻用R表示，則充電時間常數(shù)可近似表示為：由于二極管的正向電阻r和交流電源內(nèi)阻R很小，故r很小。濾波電容C很快被充電到交流輸入電壓的峰值，當(dāng)交流電源輸入電壓小于濾波電容C的端電壓時，Dl、D3就處于截止?fàn)顟B(tài)；同理，可分析負半周D2、D4的工作情況。由分析不難看出，當(dāng)電路達到穩(wěn)態(tài)后，在交流輸入電壓的一個周期內(nèi)二極管導(dǎo)通時間很短，輸入電流波形畸變?yōu)榉群艽蟮恼}沖電流(圖2)。由上圖可分析出，這種畸變的電流含有豐富的諧波成分，嚴重影響電器設(shè)備的功率因數(shù)。由理論推導(dǎo)也可以證明，功率因數(shù)與電流總諧波含量的近

6、似關(guān)系為：因此，降低電器設(shè)備的輸入電流諧波含量是提高功率因數(shù)的根本措施。為了提高效率，減少諧波畸變率，必須進行功率因數(shù)校正。為了減少成本，在低功率的條件下，采用無源功率因數(shù)校正電路，文獻提出了一種逐流充放電式的無源校正電路，并在此基礎(chǔ)上對逐流充放電式的無源校正電路進行了拓撲，其中提出的電路拓撲適用于小功率，低損耗，成本低的條件下使用。無源功率因數(shù)校正的發(fā)展：一般二極管整流電路存在許多問題，一般采用六種無源功率因數(shù)校正：整流濾波電路、整流濾波電路、諧振式整流濾波電路、逐流式（填谷）整流濾波電路、直流反饋式整流濾波電路，高頻反饋式整流濾波電路。一、整流濾波電路 此種電路在前面做過詳細的分析，這里不

7、做過多的介紹，僅作簡單分析。方案優(yōu)點：原理、結(jié)構(gòu)簡單，成本最低，效率較高。方案缺點：整流橋?qū)〞r的沖擊電流大，功率因數(shù)低，諧波成分多。二、整流濾波電路由于電感L對電流的緩沖作用，使整流橋的導(dǎo)通角增大，從而改善了功率因數(shù)。整流濾波電路的兩種形式：方案優(yōu)點：原理、結(jié)構(gòu)簡單，成本低，效率較高。方案缺點：整流橋?qū)〞r的沖擊電流比整流濾波電路小，功率因數(shù)低，諧波成分多。三、諧振式整流濾波電路 如圖所示，將Lr和Cr的諧振點設(shè)置在基波三倍頻處，對諧波的抑制起到了一定的作用方案優(yōu)點：原理、結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，效率較高。方案缺點：整流橋?qū)〞r的沖擊電流比整流濾波電路小，功率因數(shù)低，諧波成分相對少。四、逐流式（

8、填谷）整流濾波電路圖5是一種由電容、二極管組成的無源功率因數(shù)校正(PPFC)電路，其中Ll、L2、Cl、C2組成復(fù)式濾波電路 Dl-D4為橋式整流電路，D5、D6、D7、C3、C4組成PPFC電路。原理：圖6是PPFC電路輸出電壓u和交流輸入電流的波形。在t0tl時間內(nèi)，整流二極管Dl、D3導(dǎo)通，橋式整流輸出電壓Uz通過C3、D6、C4對C3、C4充電，同時為負載RL供電，由于充電時間常數(shù)很小，C3、C4充電速度很快，當(dāng)Uz達峰值Um時，C3、C4上的電壓Uc3=Uc4=Um/2；在t1t2時間內(nèi)，Um/2<Uz<Uc3+Uc4，D5和D7均反偏截至，C3、C4無放回路，負載RL仍

9、由整流電壓Uz供電，Dl、D3仍然處于導(dǎo)通狀態(tài)；t2t3時間內(nèi)，Uz<Um/2，D1、D3截止，電容C3通過所對負載RL放電，電容C4通過D5也對RL放電；t3t4時間內(nèi)，Uz>Uc3、Uz>U ，D2、D4開始導(dǎo)通為RL供電，當(dāng)Uz>Uc3+Uc4時，Uz通過C3、C4、D6對C3、C4充電，t4時刻Uc3=Uc4=Um/2；t4t5時間內(nèi)，Um<Uz< Uc3+Uc4，C3、C4仍無放電回路，負載RL仍由Uz供電，D3、D4仍然處于導(dǎo)通狀態(tài)；t5t6時間內(nèi)，Uz<Um/2，D3、D4截止，C3通過D7，C4通過D5又對RL開始放電，以后將循環(huán)上述過

10、程。由上述分析不難看出，當(dāng)電路達穩(wěn)態(tài)后，整流二極管的導(dǎo)通時間明顯增大，其輸入電流波形得到較大的改善(接近正弦波)。實驗表明，采用PPFC電路可使輸入電流總諧波含量降低到30以下，功率因數(shù)可提高到090以上。方案優(yōu)點：原理、結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，成本稍低，功率因數(shù)高。方案缺點：整流橋?qū)〞r的沖擊電流較小，諧波成分相對少，效率較低。五、直流反饋式整流濾波電路，高頻反饋式整流濾波電路略。有源功率因數(shù)校正(PFC)電路的發(fā)展APFC一般采用升壓式，是由于其輸入電流容易連續(xù)。在電力電子技術(shù)及電子儀器儀表中，從220V交流電網(wǎng)通過非控整流獲得直流電壓得到普遍使用。由于整流器件工作時，導(dǎo)通角小于180度，因此引起輸

11、入電流波形嚴重畸變、含有大量諧波，使輸入電路的功率因素不到0.7，對電網(wǎng)和其它用電設(shè)備危害很大。為了減少這種危害，在整流濾波電路中增加功率因素校正電路已被普遍采用。從功率因素(PF)、功率因素(PF)與總電流諧波畸變(THD：TotalHarmonicDistortion)的關(guān)系出發(fā)，提出提高功率因數(shù)和效率的方法：一是就最大限度地抑制輸入電流的波形畸變，使THD 值達到最小；二是盡可能地使電流基波與電壓基波之間的相位差趨于零，使余弦值等于1，從而實現(xiàn)功率因素校正。利用功率因素校正技術(shù)，可以使交流輸入電流波形完全跟蹤交流輸入電壓波形的變化，使輸入電流呈純正正弦波，并且和輸入電壓同相位。Boost

12、拓撲結(jié)構(gòu)的PFC電路工作原理：輸出電壓與參考電壓比較后經(jīng)電壓環(huán)控制器得到輸出值，并與輸入整流后的電壓值相乘，得到電流基準(zhǔn)信號。輸入電流與基準(zhǔn)信號比較后經(jīng)電流環(huán)控制器，其輸出信號再通過PWM發(fā)生器產(chǎn)生控制信號來控制開關(guān)管的通斷。因為控制信號是占空比周期性變化的信號，所以得到的輸入電流波形跟隨輸入電壓整流后的波形，當(dāng)開關(guān)頻率比輸入電壓頻率高得多時，輸入電流具有與輸入電壓相同的電壓波形。一、單級功率校正峰值電流控制通過分析升壓式有源功率校正APFC電路的基本原理，用UC3854搭建了APFC電路，在APFC控制過程中，基于UC3854的固定頻率平均電流型控制APFC電路能有效地抑制輸入電流波形畸變，

13、使輸入電流完全跟蹤輸入電壓的變化，并且輸出電壓穩(wěn)定，因此在實用中得到了廣泛應(yīng)用。二、兩級功率校正由于單級DC-DC校正電路雖容易實現(xiàn)，但是它有控制復(fù)雜等不可克服的缺點，故提出了兩級功率校正。利用TOPswitch很容易實現(xiàn)兩級結(jié)構(gòu)的有源功率因數(shù)校正。電路由TOPswitch構(gòu)成的PFC電路和自激式半橋逆變電路組成。通過對其工作原理進行詳細分析，給出了電路參數(shù)和設(shè)計方法。該有源功率因數(shù)校正無需額外的控制電路和輔助電源。因此具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、性能好等特點。傳統(tǒng)電感式功率因數(shù)校正具有效率低、重量大、閃爍嚴重、噪音大、功率因數(shù)低等缺點，使其不能滿足人們對供電質(zhì)量的要求。由于單級PFC功率因數(shù)校正器

14、使用的器件少、成本低，因此已成為目前的研究熱點。但是，單級結(jié)構(gòu)中，因PFC整流部分和逆變部分通常共用一個開關(guān)，使得兩者之間有一定的耦合關(guān)系，給一些參數(shù)計算帶來不便，并且在這種結(jié)構(gòu)下，直流母線電壓隨著電網(wǎng)電壓的波動而波動，這會造成負載工作點的變化嚴重時可能使負載無法正常工作。在單級自激式功率因數(shù)校正器中，直流電壓的變化會引起工作頻率的變化，使升壓電感值的確定較為困難。因此，單級結(jié)構(gòu)的有源功率因數(shù)校正通常采用它激式，以保證工作頻率的固定，這樣會使控制電路復(fù)雜、成本增加。而兩級自激式功率因數(shù)校正器，無需額外的控制集成電路和控制電源，所以具有結(jié)構(gòu)簡單、器件少、成本低、功率因數(shù)高等優(yōu)點，并且直流電壓穩(wěn)定

15、，不受電網(wǎng)電壓波動的影響，容易設(shè)計諧振參數(shù)，以保證負載工作在穩(wěn)定工作點，具有很大的應(yīng)用價值。三、兩級功率校正優(yōu)化直接功率轉(zhuǎn)換由于受各種器件的限制，現(xiàn)在又提出了直接功率轉(zhuǎn)換(DPT)技術(shù)的單級PFC，ACDC變換器，并進行了深入的分析和綜合應(yīng)用DPT技術(shù)不僅可以有效地降低單級PFC ACDC變換器的直流母線電壓也較大地提高了效率使其在小功率的應(yīng)用中具有更大的前景。應(yīng)用功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)可以降低AC-DC變換器中的電流諧波含量，提高其功率因數(shù)，減少對交流電網(wǎng)的諧波污染。比較成熟且廣泛應(yīng)用的是兩級方案：PFC級后接DC-DC級。盡管兩級方案具有高功率因數(shù)、輸出電壓的快速調(diào)節(jié)和適合于各種功率應(yīng)

16、用等良好性能，但對小功率應(yīng)用來說，它卻存在著電路復(fù)雜、體積大、成本高等缺點。近年來把PFC級和DC-DC級集成在一起的單級PFC ACDC變換器得到了很快的發(fā)展，其目的是要簡化AC-DC變換器復(fù)雜的電路來降低成本。單級PFC AC-DC變換器使PFC級和DC-DC級共用一個功率開關(guān)管，一套控制電路控制其輸出電壓，在PFC級和DC-DC級之間用一個儲能電容來存儲輸入和輸出瞬時功率不平衡的能量，使其不僅能夠整形輸入電流，使電流諧波含量滿足IEC1000-3-2的國際標(biāo)準(zhǔn)，同時還能對輸出電壓進行快速調(diào)節(jié)。由于單級PFC AC-DC變換器本身結(jié)構(gòu)和其工作的特點，它還存在著以下的問題：(1)直流母線電壓

17、過高。(2)轉(zhuǎn)換效率不高。應(yīng)用直接功率轉(zhuǎn)換(DFF)技術(shù)使此類變換器部分輸入功率直接(一次)傳遞到輸出端，而剩余的存儲在PFC級電感中的輸入功率才被傳遞到儲能電容中，或使儲能電容電壓被箝位，這樣不僅被重復(fù)傳遞的輸入功率減少了，變換器的效率提高了，而且降低了儲能電容的電壓和開關(guān)器件的電壓應(yīng)力，即有效解決了單級PFC ACDC變換器存在的上述問題。對直接功率轉(zhuǎn)換(DFF)技術(shù)提出的下列幾種拓撲：四、單周控制(OCC)法近來，不使用橋式電路的功率因數(shù)校正(PFC)電路成為人們注意的焦點。設(shè)計人員去掉了轉(zhuǎn)換器輸入端的常規(guī)橋式整流電路，可以減少開關(guān)損耗，進一步提高效率。在這樣的電路中，不存在由于導(dǎo)通損耗

18、而降低效率的問題，且設(shè)計比較簡單，需要的元件數(shù)量較少。因此現(xiàn)在提出了不使用橋式整流電路的PFC設(shè)計用MOSFET代替二極管，減少了導(dǎo)通的功率管的數(shù)目，同時提出了單周控制(OCC)方法。由于去掉了輸入整流器的導(dǎo)通損耗以及簡化電路的設(shè)計，造成的代價是：輸入電壓和輸入電流的感測較為復(fù)雜，而且，輸出浮動會導(dǎo)致電磁干擾增大。將無橋式整流的電路與OCC控制方法結(jié)合起來，就可以用無橋式整流的方法提高效率、簡化設(shè)計，并且不需要使用復(fù)雜的電流和電壓感測電路。同時電磁干擾問題也可以用一種改進版本的電路來克服。五、現(xiàn)代APFC的小信號分析法及PFC器件為解決電磁干擾及兼容問題，進行小信號分析，提出了基于Boost變

19、換器拓撲PFC電路的建模，這是以Boost變換器為主拓撲結(jié)構(gòu)，平均電流控制模式進行PFC校正，并在準(zhǔn)靜態(tài)分析法的基礎(chǔ)上，建立系統(tǒng)的簡化小信號模型。在此基礎(chǔ)上，以閉環(huán)系統(tǒng)的帶寬和相位裕量為設(shè)計指標(biāo)，給出了實用的閉環(huán)反饋控制器的設(shè)計方法。在PFC電路中，電壓、電流等變量在兩種不同頻率上變化：一方面按開關(guān)頻率高速切換；另一方面又按輸入電壓頻率(工頻)緩慢變化。從系統(tǒng)的角度來看這是一個復(fù)雜的時變系統(tǒng)，采用準(zhǔn)靜態(tài)分析法來對系統(tǒng)的模型進行分析和設(shè)計。提出了電流環(huán)功率級簡化模型?？刂破鞯膶崿F(xiàn)是按照電壓環(huán)和電流環(huán)分別設(shè)計。根據(jù)有源功率因數(shù)校正的基本特性。對系統(tǒng)進行了建模，同時對數(shù)學(xué)模型進行分析和計算?，F(xiàn)在提出的嵌入式模塊技術(shù)