高频开关电源-第六章

电能变换与控制研究所第六章有源功率因数校正技术及应用6.1提高功率因数的必要性6.2有源功率因数校正（APFC）基本原理6.3APFC控制技术6.4典型APFC电路存在问题6.5APFC电感设计6.6三相APFC电路电能变换与控制研究所6.1提高功率因数的必要性1.问题的产生☆开关电源的整流部分通常采用二极管桥式整流和电解电容进行输入滤波。RLCCIDCUd☆输入交流电压是正弦的，但输入交流电流波形却严重畸变、成脉冲状，只在输入交流电压的峰值部分才有输入电流。加滤波后的电压整流后的电压网侧电流电能变换与控制研究所6.1提高功率因数的必要性（1）对电网的影响2.危害与影响①从电网吸取无功电流，导致电网中流动的功率增加，加大了电网的损耗。②增加了发电和输变电设备的负担，降低了电网实际可以传递的有功功率的大小。③造成电网电压畸变，影响其他设备正常工作。④造成电网中继电保护装置误动作。电能变换与控制研究所（2）对装置自身的影响①功率因数下降、导致电能利用率降低。②过大的尖峰脉冲电流，严重危害直流侧的滤波电容。③整流管正向压降增加、导致功耗增加。④输入侧的EMI滤波元件因承受高峰值电流脉冲，需要加大参数指标，以提高承受能力。（3）抑制的途径①从电网的整体角度出发，在系统的主要谐波危害点采取相应的就近补偿措施，阻止谐波电流注入电网系统，把危害限制在最小范围内。②针对具体谐波源特性，在设计电力电子装置时就考虑在电路和控制策略上采取有效的校正措施，最终做到就地消除。6.1提高功率因数的必要性电能变换与控制研究所3.功率因数和THD（1）功率因数的定义6.1提高功率因数的必要性*功率因数PF(PowerFactor)的定义是指：交流输入有功功率与输入视在功率之比值，其表达式为coscoscosR1RR1RRIIIUIUIUPPPPFR视有UR是电网电压有效值；IR是电网电流有效值；I1是基波电流有效值；是基波电压和基波电流的相移因数；cos电能变换与控制研究所γ=I1/IR是电网电流交流失真因数(又称基波因数)。*如果输入电流无谐波时，γ=1或I1=IR，则cosPF（2）THD*定义电流总谐波失真度(THD)为122322IIIITHDn*可以认为功率因数PF是对传统功率因数定义在电流存在谐波情况下的推广。即为所有谐波分量的总有效值和基波分量之商。6.1提高功率因数的必要性电能变换与控制研究所4.有源功率因数校正技术（1）基本思想（2）发展状况在传统的不控整流装置中融入有源器件，使入端电流在一定程度上可控，达到校正电流波形、提高功率因数、降低谐波污染的目的。*从80年代逐步开始研究，到80年代末迅速发展起来，这一阶段主要集中在对连续导电模式下的Boost变换器的研究上。（3）电路结构*两级功率因数校正技术*单级功率因数校正技术电能变换与控制研究所优点：各级可单独分析、设计和控制，通用性较好。适合在分布式系统中应用缺点：控制电路较复杂，分析也很困难。优点：结构简单，效率高。适合于单一集中式电源中应用电能变换与控制研究所6.2APFC的基本原理1.APFC电路的基本功能（1）控制输入电流的波形（2）在一定的范围内调节直流输出电压2.典型的Boost电路（3）维持输入功率与输出功率的平衡在完成上述功能的前提下，电路结构应满足体积小、重量轻、效率高等要求。*从原理上，各种变换器拓扑都可用来做PFC电路。*Boost变换器自身所具有的特点，决定了它非常适合做PFC电路，所以应用最为广泛。电能变换与控制研究所*利用适当的控制方式，可以达到控制输入电流的目的。（1）电路构成*主电路由储能升压电感L、功率开关、隔离二极管D和滤波电容C组成。6.2APFC的基本原理电能变换与控制研究所（2）电流校正思想*正常工作时，功率开关的驱动脉宽（占空比）随输入正弦电压波形瞬时值变化。*通过调节每个开关周期内功率开关的导通宽度，来实现调节每个开关周期的电流平均值，使流过电感中的电流与输入正弦电压波形瞬时值成正比，且与电压同相位。*输入电流波形上的高频分量可通过高频滤波器将其滤掉，便可得到光滑的电流波形、使PF接近1。3.控制原理（1）控制原理图*以平均电流型控制为例。6.2APFC的基本原理电能变换与控制研究所LDR3R4RSR5R6R7RLUREFIC2IC1IC3IC4AB*控制电路由电流内环和电压外环两个环节构成。6.2APFC的基本原理电压外环电流内环PWM调制电能变换与控制研究所LDR3R4RSR5R6R7RLUREFIC2IC1IC3IC4ABtuituR4tuCtIMtuR56.2APFC的基本原理电能变换与控制研究所（2）对输入电流的控制tuituR4tuCtIMtuR5*交流输入电压整流后经电阻R3、R4分压得到一个与输入电压波形相同、幅值小的半波正弦电压，送到乘法器输入端A。*电压误差放大器的输出uC送到乘法器输入端B，乘法器输出电流为：BAMI*乘法器输出电流在电阻R5上产生的压降为：5MR5RIu6.2APFC的基本原理电能变换与控制研究所*uR5仍为半波正弦电压，加到电流误差放大器的同相输入端，作为基准，可实时跟随整流桥输出电压的波形及幅度。*取样电阻上的输入电流信号uRS=ITRS加到电流误差放大器的反相输入端。*经电流误差放大器的比较、放大后，送PWM调制器，使电流误差放大器的输入端误差电压0T5MSRIRIU则SRRII5MT6.2APFC的基本原理LDR3R4RSR5R6R7RLUREFIC2IC1IC3IC4AB电能变换与控制研究所（3）对输出电压的控制*稳压原理与过程和普通AC/DC变换器基本相同。*不同的是，电压误差放大器的输出不是直接送到PWM调制器，而是送到乘法器的输入端，与另一输入信号相乘后作为电流误差放大器的基准。*所以该控制电路即能稳定输出电压，又能控制输入电流、使其与输入电压波形相同。4.输出电压中的纹波设PFC电路的损耗为零，输入电流与输入电压同相，且均为正弦，则6.2APFC的基本原理LDR3R4RSR5R6R7RLUREFIC2IC1IC3IC4AB电能变换与控制研究所tUumisintIimsin输入瞬时功率tItUpmmtisinsin)(tIUIUmmmm2cos2121tUIUI2cos如输出滤波电容的容量较大，可认为输出电压为恒定，则输出功率6.2APFC的基本原理电能变换与控制研究所)()(tootoiUp)()(tcotoiIiic(t)输出滤波电容上的电流纹波；Io输出平均电流Uo输出直流电压由于)()(titopp可推出tUUIUUIiooto2cos)(6.2APFC的基本原理电能变换与控制研究所即tUUIiUUIIotcoo2cos)(则输出电容两端的纹波电压为tCIdtiCuotctc2sin21)()(可见，输出电压中含有2倍基频纹波。6.2APFC的基本原理电能变换与控制研究所5.BoostPFC电路与BoostDC/DC变换器的区别(1)输入电压不同(2)输出电压与输入电压变比不同*用做DC/DC变换器时，变比一般不随时间变化；*构成PFC电路时，其变比为*用做DC/DC变换器时，输入为基本稳定的直流；*构成PFC电路时，输入为半波正弦。tUUuUmmitsin00)(在半个工频周期里，随着时间变化，使分析变复杂。6.3APFC的基本原理电能变换与控制研究所6.Boost型PFC电路的特点*EMI小*开关器件的电压不超过输出电压*开关器件的参考点电位为零，容易驱动。（1）优点*能在国际标准规定的输入电压和频率范围内保持正常工作。*有输入电感（2）缺点*输入输出无隔离*容量受到限制6.2APFC的基本原理LDRL电能变换与控制研究所6.3APFC的控制技术控制目标控制策略以Boost型PFC电路为例，按电感电流是否连续分：（1）实现单位功率因数（2）实现输出电压稳定（1）不连续导电模式，即DCM模式。（2）连续导电模式，即CCM模式。CCM模式根据是否选取瞬态电感电流作为反馈量分：（2）间接电流控制（1）直接电流控制电能变换与控制研究所1.DCM控制技术*常用于低功率等级的PFC电路中，一般单相小于500W、三相小于10kW。*有恒频控制技术和恒导通时间控制技术*DCM控制技术也称电压跟踪方法*特点是通过控制使输入电流自动跟踪输入电压并保持较小的电流畸变。1.1恒频控制技术开关周期（频率）恒定，PWM控制输出的占空比在半个工频周期内保持不变。6.3APFC的控制技术电能变换与控制研究所(1)电路构成E/A：电压误差放大器，其带宽10~20HZ，以保证稳态时输出占空比在半个工频周期内保持不变。PWM：脉宽调制实现电路主电路为典型Boost电路6.3APFC的控制技术LDRLPWME/AREFUE/AE/AREFU电能变换与控制研究所(2)分析则在一个开关周期，电感电流平均值为当功率开关导通时，电感电流的峰值为：ONtipTLui)(LTTTTuidONONONti2)()(由于在半个工频周期内，开关周期和功率开关的导通时间均不变，所以输入电流的峰值与输入电压成正比。TONTdONipT6.3APFC的控制技术LDRLPWME/AREFUE/AE/AREFU电能变换与控制研究所式中dONONtiTTu)(整流后的输入电压功率开关管的导通时间二极管的导通时间可见，在半个工频周期内由于T、TON均不变，所以输入电流的峰值与输入电压ui(t)正比、输入电流的平均值与输入电压ui(t)同相。但公式中的TdON是影响平均电流的一个重要因素。当TdON恒定时，电感电流平均值与输入电压的比值恒定，变换器相当与一个纯电阻，即可实现PF=1。TONTdONipTLTTTTuidONONONti2)()(6.3APFC的控制技术ONtipTLui)(电能变换与控制研究所当TdON变化时，导致输入电流平均值发生畸变，提高输出电压与输入电压峰值的比值，可以减小电流畸变的程度（THD＜10%）。1.2恒导通时间控制技术*思想是在恒定功率开关管的导通时间的同时，消除二极管导通时间的影响。如果让TTTdONON则LTTTTuidONONONti2)()(LTuiONti2)(变为6.3APFC的控制技术电能变换与控制研究所实现方法集成控制芯片UC3852工作在DCM模式和CCM模式的临界状态1.3DCM控制模式的特点（1）输入电流自动跟踪输入电压并保持较小的电流畸变；（2）功率开关实现ZCS，且不承受二极管的反向恢复电流；（3）输入输出电流纹波大，对滤波电路要求高；（4）峰值电流远大于平均电流，功率器件承受的电流应力大。可以看出，电流平均值只与功率开关的导通时间有关，若在半个工频周期内保持TON不变，从理论上可以保证输入电流与输入电压同频同相，无畸变。6.3APFC的控制技术电能变换与控制研究所2.CCM控制技术*目前应用最多的是直接电流控制*把输入电压信号与输出电压误差信号相乘后作为电流控制器的给定信号*源于DC/DC变换器中的电流控制模式*在直接电流控制技术中，有峰值电流控制模式、平均电流控制模式和滞环电流控制模式三种。6.3APFC的控制技术电能变换与控制研究所DLinuCo乘法器电压误差放大器dUrefI+-RLUorefU1/Hs1/Ksi斜波补偿电流比较器LiQRS时钟2.1峰值电流控制模式*定时开通，电流比较器控制关断。6.3APFC的控制技术电能变换与控制研究所*电流基准为双半波正弦电压，电感电流的峰值包络线跟踪输入电压，使输入电流与输入电压同相，并接近正弦波。*系统中有两种频率的电流，基准电流为工频，被控制调节的输入电流为高频。*用于该控制模式的集成电路有ML4812、ML4819等。2.2平均电流控制模式6.3APFC的控制技术*该控制模式的特点是THD及EMI小、对噪声不敏感、开关频率固定、适用于大功率场合。*集成控制器有UC3854、