有源功率因數(shù)校正

有源功率因數(shù)校正小組成員：徐勇、常惜陽、付美真、王啟龍、王嘉煒、陳玉民、管紅立、瞿林飛、田小龍、王彥剛有源功率因數(shù)校正有源功率因數(shù)校正概述分類根據(jù)APFC拓撲分類

根據(jù)輸入電壓不同分類

根據(jù)電感電流控制方式分類總結(jié)

有源功率因數(shù)校正功率因數(shù)校正技術(shù)包括無源功率因數(shù)校正和有源功率因數(shù)校正.無源校正電路通常由大容量的電感、電容組成,只能將功率因數(shù)提高到0.7~0.8,一般應(yīng)用在中小功率電源中.有源功率因數(shù)校正電路是在橋式整流器與輸出電容濾波器之間加入一個功率變換電路,能夠使功率因數(shù)提高到接近1,它工作于高頻開關(guān)狀態(tài),體積小、重量輕,比無源功率因數(shù)校正電路效率高,從20世紀(jì)80年代中后期開始成為電力電子領(lǐng)域研究的熱點,90年代后得到了迅速推廣.有源功率因數(shù)校正有源功率因數(shù)校正(APFC)電路是在整流器和負載之間接入一個DC/DC開關(guān)變換器,應(yīng)用電壓電流反饋技術(shù),使輸入端電流波形跟隨輸入正弦電壓波形,從而使輸入電流的波形也接近正弦波,以達到提高功率因數(shù)的目的.由于在此電路中使用了有源器件,所以稱為有源功率因數(shù)校正電路。圖1有源功率因數(shù)校正原理根據(jù)APFC拓撲分類降壓式升/降壓式反激式升壓式有源功率因數(shù)校正降壓式

這種電路的主要優(yōu)點是：開關(guān)管所受的最大電壓為輸人電壓的最大值，因此開關(guān)管的電壓應(yīng)力較小;當(dāng)后級短路時，可以利用開關(guān)管實現(xiàn)輸出短路保護。

該電路的主要缺點是：由于只有在輸人電壓高于輸出電壓時，該電路才能工作，所以在每個正弦周期中，該電路有一段因輸人電壓低而不能正常工作，輸出電壓較低，在相同功率等級時，后級DC/DC變換器電流應(yīng)力較大;開關(guān)管門極驅(qū)動信號地與輸出地不同，驅(qū)動較復(fù)雜，加之輸人電流斷續(xù)，功率因數(shù)不可能提高很多，因此很少被采用。有源功率因數(shù)校正有源功率因數(shù)校正升降壓式該電路的優(yōu)點是：既可對輸人電壓升壓又可以降壓，因此在整個輸入正弦周期都可以連續(xù)工作;該電路輸出電壓選擇范圍較大，可根據(jù)一級的不同要求設(shè)計;利用開關(guān)管可實現(xiàn)輸出短路保護。該電路的主要缺點有：開關(guān)管所受的電壓為輸入電壓與輸出電壓之和，因此開關(guān)管的電壓應(yīng)力較大;由于在每個開關(guān)周期中，只有在開關(guān)管導(dǎo)通時才有輸入電流，因此峰值電流較大;開關(guān)管門極驅(qū)動信號地與輸出地不同，驅(qū)動比較復(fù)雜;輸出電壓極性與輸入電壓極性相反，后級逆變電路較難設(shè)計，因此也采用得較少。有源功率因數(shù)校正反激式反激式的輸出與輸入隔離,輸出電壓可以任意選擇,采用簡單電壓型控制,適用于150W以下功率的應(yīng)用場合。升壓式

升壓式是簡單的電流型控制,PF值高、DTH小、效率高,但是輸出電壓高于輸入電壓,適用于75~2000W功率范圍的應(yīng)用場合。升壓式APFC具有以下優(yōu)點:1)電路中的電感L適用于電流型控制;2)由于升壓型APFC的預(yù)調(diào)整作用在輸出電容器上保持高電壓,所以電容器體積小、儲能大;

3)在整個交流輸入電壓變化范圍內(nèi)能保持很高的功率因數(shù);

4)當(dāng)輸入電流連續(xù)時,易于EMI濾波;

5)升壓電感L能阻止快速的電壓、電流瞬變,因而可提高電路工作的可靠性.因此,目前升壓式有源功率校正電路應(yīng)用最為廣泛。有源功率因數(shù)校正根據(jù)輸入電壓不同分類三相

兩級PFC單相

單級PFC有源功率因數(shù)校正三相PFC

三相PFC有輸入功率高等優(yōu)點,然而它又存在三相之間耦合問題的嚴(yán)重缺點,控制機理復(fù)雜,研究難度大,所以單相PFC的研究較多并相對成熟。有源功率因數(shù)校正兩級PFC

兩級PFC方案如圖2所示.所謂兩級,指的是PFC前置級和DC/DC后隨級。

PFC前置級使輸入電流跟隨輸入電壓,實現(xiàn)功率因數(shù)校正;DC/DC后隨級實現(xiàn)隔離和降壓。

其優(yōu)點是每級電路可單獨分析、設(shè)計和控制,特別適合作為分布式電源系統(tǒng)的前置級。有源功率因數(shù)校正圖2兩級PFC方案BuckBoost（常用）Buck-Boost正激反激等

兩級PFC

兩級PFC雖然功率因數(shù)校正效果不錯,但由于用Boost升壓的電路母線電壓高于輸入電壓峰值,電容電壓過高。另外,由于兩級傳輸,使得控制復(fù)雜,傳輸效率低,成本也較高。有源功率因數(shù)校正單級PFC單極PFC將前置級Boost電路和后隨級反激或正激變換器環(huán)節(jié)MOSFET公用,如圖3所示。有源功率因數(shù)校正圖3單極PFC方案單極PFC

該方案與傳統(tǒng)的兩級電路相比省掉了一個MOSFET,增加了一個二極管,集功率因數(shù)校正和輸出隔離、電壓穩(wěn)定于一體,結(jié)構(gòu)簡單,效率高.但分析和控制復(fù)雜,適用于單一集中式電源系統(tǒng)。

它的輸入電流有些畸變,但仍能滿足電流諧波含量的要求。另外，單極PFC還存在儲能電容上電壓高的問題。有源功率因數(shù)校正

根據(jù)電感電流控制方式分類

恒頻控制

不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)變頻控制等面積控制峰值電流控制直接電流控制平均電流控制連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)滯環(huán)電流控制間接電流控制臨界或過渡導(dǎo)通模式(TCM)有源功率因數(shù)校正不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)

DCM的控制又稱電壓跟蹤方法,可以采用恒頻、變頻、等面積等多種方式。它工作在不連續(xù)導(dǎo)通模式,用電壓跟隨器的方法來實現(xiàn)APFC,采用此方法比較簡單、方便,但開關(guān)峰值電流大,由此導(dǎo)致通態(tài)損耗增加.

同時,功率因數(shù)與輸入和輸出電壓的比值有關(guān),當(dāng)輸入電壓變化時,功率因數(shù)也將發(fā)生變化,因此,DCM方式的APFC電路很少被采用。有源功率因數(shù)校正連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)

CCM模式下的電流控制是目前應(yīng)用最多的控制方式。它是將輸入電壓信號與輸出電壓誤差信號相乘后作為電流控制器的電流給定信號，電流控制器控制輸入電流按給定信號變化，CCM模式根據(jù)反饋電流，產(chǎn)生了三種常用的控制方法：峰值電流控制、平均電流控制和滯環(huán)電流控制。CCM方式的APFC工作在連續(xù)導(dǎo)通模式,相對于DCM,CCM具有以下優(yōu)點:輸入和輸出電流紋波小;器件導(dǎo)通損耗小;適用于大功率應(yīng)用場合。有源功率因數(shù)校正臨界或過渡導(dǎo)通模式(TCM)相對于CCM來說,TCM方式的輸入電流,輸出電壓的紋波比較大,因而對開關(guān)的沖擊較大,同時開關(guān)的導(dǎo)通損耗也比較大.有源功率因數(shù)校正總結(jié)在功率因數(shù)校正中,CCM模式中直接電流控制依然是該領(lǐng)域發(fā)展的主流,適用于對系統(tǒng)性能指標(biāo)和快速性要求較高的大功率場合.但同時DCM模式以及電壓控制方式也將成為研究的方向.而簡化控制策略、降低PFC成本、提高響應(yīng)速度、降低器件