開關電源技術應用與維修楊亞平電子教案和教學指南第7章

第7章功率因數(ɡōnɡlǜyīnshù)校正器的應用與維修開關電源以其效率高、功率密度高而在電源領域中占主導地位，但傳統(tǒng)的開關電源存在一個致命的弱點：功率因數低，一般為0.45～0.75左右，而且其無功分量(fènliàng)基本上為高次諧波。從1992年起國際上開始以立法的形式限制高次諧波，傳統(tǒng)的開關電源亦在在限制之列。為滿足IEC1000-3-2《家用電器及類似電氣設備發(fā)出的諧波電流限制》等標準要求，開關電源中采用功率因數校正技術勢在必行。本章主要講述功率因數校正電路的類型和基本原理，功率因數校正電路的實際應用以及功率因數校正電路的維修。精品資料7.1功率因數(ɡōnɡlǜyīnshù)校正的基本原理7.1.1電流諧波含量與功率因數校正(jiàozhèng)1.提高開關電源功率因數的意義用電設備的功率因數和輸入電源的諧波含量都是供電系統(tǒng)和用電部門極為關心的兩項技術指標，不論是從保證電力系統(tǒng)的安全經濟運行，還是從保護用電設備以及人身安全來看，都必須使用低諧波含量、高功率因數的開關電源，這對各方面來說都是十分必要的。精品資料2.開關電源輸入電流的諧波含量只有在輸入交流電壓的峰值附近，整流二極管才會導通，它的導通角大約為60o，交流整流濾波電路(diànlù)與輸入電壓、電流波形如圖7-1所示。圖7-1交流(jiāoliú)整流濾波電路與輸入電壓、電流波形精品資料3.功率因數與電流諧波的關系非正弦脈沖電流中含有大量(dàliàng)的諧波分量，n次諧波電流與基波電流之比稱為n次諧波含有率，(n次諧波含量）。用n次諧波總的電流有效值與基波電流有效值的百分比表示電流總諧波含量，稱為總諧波畸變率（THD)，簡稱總諧波畸變。即式中In(rma)為n次諧波電流的有效值，有關功率因數PF的表達式為式中Φ1為基波電流與電壓間的相位差，這就是功率因數與THD的關系。精品資料7.1.2有源功率因數校正的基本原理功率因數校正(PFC)技術可分為(fēnwéi)兩大類：一類是無源PFC技術；另一類是有源PFC技術。圖7-2有源功率因數校正基本(jīběn)工作原理圖精品資料(a)Vdc與IL(b)Vi與Ii圖7-3功率因數校正電路輸入電壓及輸入電流(diànliú)波形精品資料7.1.3有源功率因數(ɡōnɡlǜyīnshù)校正電路的類型圖7-4有源功率因數校正電路(diànlù)的主要類型精品資料在開關電源中，以升壓型PFC校正電路作為預調整器最為流行。它的主要優(yōu)點是：(1)能有效地抑制輸入電源的電流諧波含量，完全可以達到甚至遠遠低于諧波電流畸變指標要求(yāoqiú)；(2)能將系統(tǒng)功率因數提高到幾乎等于1的水平，完全能滿足世界各國對功率因數和總諧波含量的技術標準要求(yāoqiú)；(3)能輸出低紋波含量的直流電壓，能確保開關電源的紋波電壓指標；(4)能實現電壓寬帶輸入(85～265V)，當輸入交流輸入電壓在較大的范圍內變動時，可得到穩(wěn)定的直流電壓輸出；(5)消除了浪涌電壓及尖峰電壓對電路元件的沖擊，提高了開關電源的可靠性和安全性，延長了開關電源的使用壽命。精品資料7.1.4有源功率因數校正的控制方法1、峰值電流控制法峰值電流控制法是檢測PFC電路中的開關電流，采用恒定(héngdìng)的開關電源工作頻率，只有穩(wěn)定的工作頻率才能有效地、快速地測出峰值電流，并將這一電流“削尖”、均化來控制開關管，進行PWM調節(jié)，使輸入電流波形與輸入電壓保持一致，從而提高功率因數。由于輸入電流被“削尖”，在電路上對輸入電流波形需要進行斜率補償。精品資料圖7-5峰值電流控制法的有源功率因數(ɡōnɡlǜyīnshù)校正電路精品資料圖7-6峰值(fēnɡzhí)電流控制法的電感電流波形圖精品資料2、滯環(huán)電流控制法滯環(huán)電流控制法是檢測PFC電路中電感上的電流，當電感電流上升達到一定值時，功率(gōnglǜ)開關管開始導通，電感電流下降到一定值時，功率(gōnglǜ)開關管陡然截止，它的控制方式是利用工作頻率的改變來控制功率(gōnglǜ)開關管的導通和截止。一般輸出濾波電路按最低工作頻率考慮，所以，開關電源的體積和重量是最小的，工作損耗較小。精品資料圖7-7滯環(huán)電流控制法的有源功率因數(ɡōnɡlǜyīnshù)校正原理圖精品資料圖7-8滯環(huán)電流(diànliú)控制法的電感電流(diànliú)波形圖圖7-9滯環(huán)邏輯控制電路精品資料3、平均電流控制法平均電流法是開關電源和電子鎮(zhèn)流器中有源功率因數校正用得最多的一種方法?？傊C波(xiébō)含量THD值小，對噪聲不敏感，電感電流峰值與平均值之間的誤差小，具有恒定的工作頻率，可以任意組成各種控制電路，輸出電壓可以隨便調節(jié)。這種方法的缺點是控制電路比較復雜，需要增添電流誤差放大器。精品資料圖7-10平均電流控制法有源功率因數(ɡōnɡlǜyīnshù)校正原理圖圖7-11平均電流控制法的電感電流波形圖精品資料7.2功率因數校正(jiàozhèng)電路的應用7.2.1由KA7524構成的峰值(fēnɡzhí)電流控制電路圖7-12由KA7524構成的峰值電流控制PFC電路圖精品資料圖7-13KA7524內部電路(diànlù)框圖精品資料(1)升壓變換電路升壓變換電路也叫升壓電感器。升壓變換電路中變壓器TR的一次繞組Np是PFC調整器的升壓電感Lp，起著峰值電流傳遞(chuándì)和升壓的作用。TR的二次繞組NS的作用有二：一是作為零電流檢測傳感器；二是與電阻R4、整流二極管VD5和電容C3組成電源濾波整流電路，供給KA7524調制器啟動電壓。因此TR是PFC升壓變換電路中的關鍵元件之一。精品資料圖7-14升壓變換電路電感(diànɡǎn)電流Ip的波形圖精品資料(2)乘法器電路在電路中，電阻R1、R2是乘法器取壓的分壓電阻；R11是電流傳感電阻；R12、R13是誤差放大器偏置電阻。另外，還有補償網絡的C4和R7、R8等，這些都是PFC調整器的重要元件，IC1的3腳是乘法器的電壓(diànyā)輸入端，該腳輸入電壓(diànyā)的最大值不得超過2V，電容C2的作用是高頻濾波，旁路掉輸入部分的尖峰電壓(diànyā)。KA7524乘法器輸入電壓(diànyā)VMO的大小，由4腳輸出的門限電壓(diànyā)決定。開關管VT的源極串接電阻R11，用來檢測升壓變換電路一次繞組Np的電流，峰值電流通過4腳的門限電壓(diànyā)來控制。KA7524的乘法器增益K=0.8，基準電VREF=2.5V。精品資料(3)誤差放大器電路中電阻R12、R13是誤差放大器的偏置電阻，在保證誤差放大器正常工作的前提下，可用來調整輸出電壓Vo的高低。IC1(KA7524)工作在高頻時，可以順利地進行脈沖(màichōng)控制轉換，可是在低頻下往往對一些低頻信號有“丟失”的現象，所以在IC1的反相輸入端與誤差放大器的輸出端之間并接有由C4和R7、R8組成的頻率補償網絡，用以防止信號“丟失”和抑制正升壓變換電路的輸出電壓紋波。電阻R7、R8用于改善負載的瞬態(tài)響應，要求R8＞＞R13。精品資料(4)啟動電路啟動電路的元件包括R3和C3。升壓電感Lp在輸入脈動電壓的作用下，在二次繞組中感應出電流Is。升壓變換電路的二次繞組Ns的兩端電壓為15V，此電壓通過二極管VD5和電容C3整流濾波后，向IC1的8腳提供12V的直流電壓。二次側脈動電壓通過R5向IC1提供3mA的控制電流。R5的阻值為22kΩ,VD5選用快速恢復二極管1N4148。R4是限流電阻，其阻值不能太大，否則會引起損耗，使供給(gōngjǐ)IC1的電流不足。啟動電阻R3應保證在最低輸入電壓VIN(min)下，為IC1提供足夠大的啟動電流。精品資料(5)輸入、輸出電路C1是PFC電路的輸入電容，它的作用是濾除高次諧波(xiébō)，C1選用0.47μF/630V的薄膜電容；電容C6是PFC電路的輸出濾波電容，用于濾除脈動交流成分，使輸出電壓平滑。C6選用47μF/450V的電解電容。整流二極管VD1～VD4的選用要注意兩個問題，第一是二極管的最大電流問題。流入每只二極管的電流為正弦波，選用二極管時，應使其額定電流大于平均工作電流的3倍，即IF＞3IAVE。第二，二極管的最高反向工作電壓VRM是二極管工作電壓峰值的2倍，即VRM＞2VIN(max)。VD1～VD4可選用1000V/1A的硅整流二極管1N4007。精品資料7.2.2由UC3854構成的平均電流控制電路UC3854是美國尤尼特魯德公司(ɡōnɡsī)生產的單片集成電路，它是采用固定頻率平均電流控制法的PFC控制器，工作于電感電流連續(xù)模式。UC3854內部包括電流放大器、高頻振蕩器、模擬乘法器／除法器、電壓放大器、過電流比較器、邏輯電路、低壓電壓檢測器、7.5V的電壓基準源、MOSFET柵極驅動器、負載賦能比較器和總線預測試器以及整形電路等。精品資料圖7-15UC3854的內部結構框圖(kuàngtú)精品資料圖7-16UC3854的引腳排列(páiliè)圖精品資料圖7-17由UC3854構成(gòuchéng)的PFC電路精品資料7.2.3由ML4813構成的滯環(huán)電流控制電路ML4813是美國微線公司推出的產品，這種控制器采用16腳的封裝排列，片內具有振蕩器、誤差放大器、電流限制比較器、PWM比較器、過電壓比較器、欠電壓封鎖電路等。ML4813的1腳和3～8腳是-0.3～5.5V的模擬(mónǐ)電壓輸入端，驅動輸出最大峰值電流達1A。啟動門限電壓為16V±1V，關斷閾值電壓為l0V±0.5V，啟動電流為0.8mA，電源工作電流為20mA,IC振蕩器的最大充電電流為5mA。該芯片的功能比一般芯片要強。精品資料圖7-18ML4813的內部結構及引腳排列(páiliè)圖精品資料圖7-19由ML4813構成(gòuchéng)的反激式PFC電路精品資料圖7-20反激式PFC輸出(shūchū)電壓波形圖圖7-21反激式PFC電路電感(diànɡǎn)電流波形圖精品資料7.2.4由FA5331P構成的有源PFC電路有源PFC控制器FA5331P(M)/FA5332P(M）為雙極型單片集成電路，它為設計低輸入電流諧波含量和高功率因數的預變換器，可提供一切所必需的功能。FA5332P(M）與FA5331P(M）比較，在輕負載特性方面有重大(zhòngdà)改進，屬于第二代PFC控制器。FA5331P(M)/FA5332P(M)采用16腳SOP和DIP封裝，其內部結構框圖如圖7-22所示。精品資料圖7-22FA5331P(M)/FA5332P(M)內部結構框圖(kuàngtú)精品資料表7-4FA5331P(M)/FA5332P(M）的各引腳功能(gōngnéng)引腳號符號功能描述腳號符號功能描述1IFB電流誤差放大器輸出9VC輸出電路電源電壓2IIN-誤差放大器反相輸入10VCCIC電源電壓3VDET乘法器輸入11CS軟啟動4OVP過電壓保護輸入12ON/OFF輸出開/關控制輸入5VFB電壓誤差放大器輸出13REF參考電壓6VIN-誤差放大器反相輸入14SYNC振蕩器同步輸入7GND地15CT振蕩器定時電容和電阻，8OUT輸出16IDET電流誤差放大器同相輸入精品資料圖7-23由FA5332P構成(gòuchéng)的升壓式APFC電路原理圖精品資料7.2.5由TOPSwitch構成的有源PFC電路有源功率因數校正（APFC）技術能夠實現各種電源(diànyuán)裝置電網側電流正弦化，使電網資源得到充分利用，可基本上消對電網的高次諧波污染，凈化電網。單相有源PFC實現方式有多種多樣，較為常見的有用UC3854為控制IC的3kW以下的電路，但該電路較為復雜，外圍元件多，特別是小功率的應用時。精品資料1.TOPSwitch在PFC中的應用(yìngyòng)原理圖7-25由TOPSwitch構成(gòuchéng)的升壓型APFC電路精品資料2．TOPSwitch功率因數校正預調整原理TOPSwitch采用恒頻可變占空比的控制方式。在整個工作過程中，升壓電感上的電流是其上的電流和升壓二極管電流的代數和（IL=IT+ID),TOPSwit