功率因數(shù)校正原理及相關(guān)IC

圖圖2電容輸入型電路的輸入電流,5A/DIV圖圖2電容輸入型電路的輸入電流,5A/DIV功率因數(shù)校正原理及相關(guān)IC1概述近年來，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，對各種辦公自動化設(shè)備，家用電器，計(jì)算機(jī)的需求逐年增加。這些設(shè)備的內(nèi)部，都需要一個(gè)將市電轉(zhuǎn)換為直流的電源部分。在這個(gè)轉(zhuǎn)換過程中，會產(chǎn)生大量的諧波電流，使電力系統(tǒng)遭受污染。作為限制標(biāo)準(zhǔn)，IEC發(fā)布了IEC100032；歐美日各國也頒布實(shí)施了各自的標(biāo)準(zhǔn)。為此諧波電流的抑制及功率因數(shù)校正是電源設(shè)計(jì)者的一個(gè)重要的課題。2高次諧波及功率因數(shù)校正一般開關(guān)電源的輸入整流電路為圖1所示：市電經(jīng)整流后對電容充電，其輸入電流波形為不連續(xù)的脈沖，如圖2所示。這種電流除了基波分量外，還含有大量的諧波，其有效值I為：技+辭?…明二⑴式中：Ii，12，In分別表示輸入電流的基波分量與各次諧波分量。諧波電流使電力系統(tǒng)的電壓波形發(fā)生畸變，我們將各次諧波有效值與基波有效值的比稱之為總諧波畸變THD(TotalHarmonicDistortion)：用不國初看THD=(2)用來衡量電網(wǎng)的污染程度。脈沖狀電流使正弦電壓波形發(fā)生畸變，見圖3的波峰處。它對自身及同一系統(tǒng)的其它電子設(shè)備產(chǎn)生惡劣的影響，如：引起電子設(shè)備的誤操作，如空調(diào)停止工作等；引起電話網(wǎng)噪音；引起照明設(shè)備的障礙，如熒光燈閃滅；造成變電站的電容，扼流圈的過熱、燒損。功率因數(shù)定義為PF=有效功率/視在功率，是指被有效利用的功率的百分比。沒有被利用的無效功率則在電網(wǎng)與電源設(shè)備之間往返流動，不僅增加線路損耗，而且成為污染源。設(shè)電容輸入型電路的輸入電壓e為：圖圖7功率因數(shù)改善后的輸入電流波形,2A/DIV圖3輸入電壓波形發(fā)生畸變.￡入電流i為：-ii（t）=Im?in（0t）（4）則有效功率Pac為：Pa國l=e（t>i（t）dt=Em?Imi/2=E?Ii而視在功率Pap為：Pap=E-I因此：PF=Pac/Pap=Ii/I即m+外…您=（5）電流波形為圖2的電源功率因數(shù)只有62.4%。由式（2）、（5）可見功率因數(shù)與總諧波畸變THD的關(guān)系為：相可而PF=i/（6）從式（2）、式（5）可見，抑制諧波分量即可達(dá)到減小THD,提高功率因數(shù)的目的。因此可以說諧波的抑制電路即功率因數(shù)校正電路（實(shí)際上有所區(qū)別）。3功率因數(shù)校正的實(shí)現(xiàn)方法綜上所述，只要設(shè)法抑制輸入電流中的諧波分量，通過電路方法，將輸入電流波形校正為或使無限接近正弦波，即可實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。有很多的電路方式可以實(shí)現(xiàn)這一目的，比如說在電路中加入一個(gè)大電感（見圖4），使整流管的導(dǎo)通角變大。這種方法雖然簡單，價(jià)格低，但存在體積大，重量大，且效果不好（PF小于80%）等缺點(diǎn)。下面以東芝公司的功率因數(shù)校正控制ICTA8310F為例，介紹一種有源功率因數(shù)校正方法。電路原理圖見圖5。主電路由一個(gè)全橋整流器和升壓型BOOST變換器構(gòu)成，雖然其它的變換器BUCK,FLYBACK等也可以實(shí)現(xiàn)這一功能，但是由于BOOST變換器具有輸出電容小斷電保持時(shí)間長，可實(shí)現(xiàn)WorldWild電壓輸入，及輸入電流連續(xù)EMI小等諸多優(yōu)點(diǎn)，大部分功率因數(shù)校正都采用它來作為主電路。Vout=Vin/（1—D）（7）式中：Vin為輸入電壓的有效值；D為開關(guān)管FET的占空比。主電路參數(shù)為：輸入178?264Va.c.;輸出380Vd.c.；最大輸出功率608W。2PFC控制電路為圖5的虛線框中部分，主要包含一個(gè)乘法器MPX,電流誤差放大器EI及PWM比較器。三者協(xié)調(diào)工作，將系統(tǒng)的輸入電流校正為正弦波，實(shí)現(xiàn)諧波的抑制。原理如下：（1）乘法器MPX包含2個(gè)輸入，一個(gè)是通過電阻Ra檢測輸入電壓，作為基準(zhǔn)的正弦波信號。只要做到使輸入電流波形與此一致，即可達(dá)到目的。乘法器的另一個(gè)輸入是電壓誤差放大器EV的輸出端，作為輸出穩(wěn)壓的控制信號，見下述（3）。乘法器為電流輸入型，圖4扼流圈輸入型電路IZiulDCTASJIUFUtACINP1JT圖4扼流圈輸入型電路IZiulDCTASJIUFUtACINP1JT（2）乘法器的輸出電流信號為基準(zhǔn)正弦波電流與電壓誤差放大器EV輸出的積，它通過電阻Rb，產(chǎn)生一個(gè)信號電壓。該信號電壓與由電阻Rc檢測到的主電路電流的信號電壓之差輸入到電流誤差放大器EI，而EI與PWM比較器，驅(qū)動器DRIVER，主電路及Ra形成一個(gè)閉環(huán)控制。使兩者的差無限接近于零。也就是說電阻Rb上的信號電壓與電阻Rc上的信號電壓相同，以達(dá)到電源的輸入電流波形無限接近于基準(zhǔn)正弦波的目的。為了更容易理解，可放大示波器X軸量程，觀察輸入電流IL的波形，如圖6所示，通過PWM控制，改變開關(guān)的占空比，來實(shí)現(xiàn)對輸入電流的校正；（3）一個(gè)PFC里面有2個(gè)閉環(huán)控制回路，其一就是上述的（1）、（2），我們稱之為電流控制環(huán)。它實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。其二是由電壓誤差放大器EV，乘法器MPX，EI，PWM比較器，DRIVER，主電路及Ra構(gòu)成的電壓控制環(huán)，它使輸出電壓穩(wěn)定在380Vd.c.。主要設(shè)計(jì)參數(shù)有:開關(guān)頻率f=95kHz；功率因數(shù)PF=99.2%；效率=95.秋?！陙V。符合VCCIFCCVDE DOTEN55022。實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正后的電源，其輸入電流的波形，見圖7。功率因數(shù)達(dá)到99.2%，THD只有0.127。與圖2比較，電流波形已得到明顯的校正。3.3設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)扼流線圈的選取會影響到輸出紋波電流的大小，及其它電路設(shè)計(jì)參數(shù)。應(yīng)保證它有足夠大的飽和電流，而其值L為："…蕓》獸L=.Vmin2/S-Poutf）（8）式中：Vmin為最小輸入電壓的峰值；Vout為輸出電壓；IL為扼流線圈上的紋波電流峰峰值；IPmax為輸入電流的峰值；Pout為輸出功率；f為電源開關(guān)頻率。用來檢測電流的主電路上的Rc應(yīng)當(dāng)選用額定功率大的電阻，且阻值應(yīng)盡量小，一般在幾十m級。IC的2腳，4腳間及12腳，13腳間接入RC相位補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，合適的選值可以使系統(tǒng)更穩(wěn)定，并可減小輸出電壓紋波。4結(jié)語作