功率因数校正(PFC)功能的实现

©2009MicrochipTechnologyIncorporated.版权所有。C10L18PFC第1页功率因数校正（PFC）功能的实现C10L18PFC©2009MicrochipTechnologyIncorporated.版权所有。C10L18PFC第2页课程目标学习完本课程后，您将能够：−理解在电源变换中，dsPIC®DSC如何实现不同的拓扑结构−学习如何设计及实现一个单阶的交错式功率因数校正器-IPFC−知晓在升压式电源变换器中，如何利用dsPIC®DSC来实现各种数字环−观摩Microchip的交错式功率因数校正器参考设计的演示©2009MicrochipTechnologyIncorporated.版权所有。C10L18PFC第3页课程安排功率因数在电源变换系统中的意义如何实现功率因数校正？单阶的交错式功率因数校正器的设计基于dsPIC®DSC的数字环的实现调节器设计及负载均衡技术演示©2009MicrochipTechnologyIncorporated.版权所有。C10L18PFC第4页课程安排功率因数在电源变换系统中的意义如何实现功率因数校正?单阶的交错式功率因数校正器的设计基于dsPIC®DSC的数字环的实现调节器设计及负载均衡技术演示©2009MicrochipTechnologyIncorporated.版权所有。C10L18PFC第5页伺服电源系统之典型结构框图ACI/PPFC变换器初级变换器次级变换器光电耦合器隔离层整流后的正弦电压POLPOL高压（HV）隔离式DC2DC转换器数字控制器整流器O/P1O/P2初级次级数字控制器©2009MicrochipTechnologyIncorporated.版权所有。C10L18PFC第6页有用功率？施加的电压视在电流ΦΦ无用功率施加的电压视在电流有用功率©2009MicrochipTechnologyIncorporated.版权所有。C10L18PFC第7页情形1情形2情形3有相移的正弦电流无相移的非正弦电流有相移的非正弦电流施加的电压施加的电压施加的电压产生的电流产生的电流产生的电流低功率因数的几种原因©2009MicrochipTechnologyIncorporated.版权所有。C10L18PFC第8页电流谐波基波二次谐波三次谐波实际电流消耗©2009MicrochipTechnologyIncorporated.版权所有。C10L18PFC第9页功率因数PF的完全定义视在功率Ps(VA)有功功率Pa(W)无功功率PrVAR实际消耗电能(KWH)未作功电能KVARHPF表示为有功功率Pa与视在功率Ps之比：PF=Pa/PsPF=Pa/Ps=Pa/(Pr+Pa)©2009MicrochipTechnologyIncorporated.版权所有。C10L18PFC第10页功率因数PF的完全定义定义基波电流为I1，谐波电流分别为I2、I3、I4…PF可另表示为：THD：总谐波比22142132121cos.....11*cosTHDIIIIIIPF+=++++=φφ©2009MicrochipTechnologyIncorporated.版权所有。C10L18PFC第11页影响功率因数的环节发电厂传输分配及使用PRIMEMOVER©2009MicrochipTechnologyIncorporated.版权所有。C10L18PFC第12页提高功率因数的意义谐波分量标准及法规能量损耗成本功率因数©2009MicrochipTechnologyIncorporated.版权所有。C10L18PFC第13页谐波电流的危害谐波电流可能会引发器件的误动作干扰相邻的电子电气设备导致变压器和电机等相关设备出现过热现象基波二次谐波分量三次谐波分量输入电流©2009MicrochipTechnologyIncorporated.版权所有。C10L18PFC第15页成本电力公司只依据有功功率收费，但是…低功率因数往往会导致用户费用增大−发电厂、电力传输和电力分配设备的容量更大−电力传输，分配的损耗加大−过热，谐波电流冲击导致设备寿命缩短−用户端的设备，器件容量更大©2009MicrochipTechnologyIncorporated.版权所有。C10L18PFC第16页能量损耗几乎所有元器件皆消耗能量−更大的等效电流与峰值电流不做功器件也消耗能量−无功能量返送至电网电力传输与电力分配©2009MicrochipTechnologyIncorporated.版权所有。C10L18PFC第17页我们需要改善功率因数功率因数校正©2009MicrochipTechnologyIncorporated.版权所有。C10L18PFC第18页功率因数校正的目标合格的功率因数校正器具备以下特征：−能调节输入电流，并使相位和波形与输入电压保持一致减小电流各谐波分量，改善THD减小无功功率的往返降低器件额定电流的标准−可调节输出电压−符合相关标准，法规−降低运行成本−系统损耗低−视在功率的利用率高©2009MicrochipTechnologyIncorporated.版权所有。C10L18PFC第19页课程安排功率因数在电源变换系统中的意义如何实现功率因数校正?单阶的交错式功率因数校正器的设计基于dsPIC®DSC的数字环的实现调节器设计及负载均衡技术演示©2009MicrochipTechnologyIncorporated.版权所有。C10L18PFC第20页PF的基本概念及PFC的实现PFC的实现−无源PFC主要由无源元件组成电感续流型电容倍压型−有源PFC模拟有源PFC数字有源PFC©2009MicrochipTechnologyIncorporated.版权所有。C10L18PFC第21页无源PFC电感续流型ACAC电容倍压型©2009MicrochipTechnologyIncorporated.版权所有。C10L18PFC第22页无源PFC无源PFC的缺点−适用于功率应用−通用性不高−体积大，重量大−PF改善性能有限©2009MicrochipTechnologyIncorporated.版权所有。C10L18PFC第23页有源PFC之功能框图全桥整流PFC控制器负载交流输入VacIacVdcPWMPFC所用关键元件拓扑结构选择功率开关管电感电容二极管PF调节方式©2009MicrochipTechnologyIncorporated.版权所有。C10L18PFC第24页PFC的实现方式…降压型升压型组合型V1SDLC-++-iV2SDLC-++-iV1V2SDLC-+-+iV1V2V1V1V1iiiV2V1V2V1V2V1V2V1000-ωtωtωtωtωtωt©2009MicrochipTechnologyIncorporated.版权所有。C10L18PFC第25页选择合适的PFC电路三种拓扑结构的比较：电路类型输出电压极性交越失真电感电流特性降压型正极性有不连续型升压型正极性无连续型*混合型负极性无不连续型*与负载特性及电感选择相关©2009MicrochipTechnologyIncorporated.版权所有。C10L18PFC第26页电感电流模式非连续模式电感电流电感电流临界模式连续模式电感电流©2009MicrochipTechnologyIncorporated.版权所有。C10L18PFC第27页PFC升压转换器+-~~VacC2R1R2R4R5R3R6Rsense-HV_BUS+HV_BUSC1C4L1Q1D1PWM1H|VAC|检测VDC检测IAC检测C3初级LIVE_GNDPFCMOSFET升压二极管PFC电感©2009MicrochipTechnologyIncorporated.版权所有。C10L18PFC第28页控制策略之平均电流控制ILISID升压型PFCIL平均电流控制控制流经电感的平均电流IL，使其跟随瞬时输入电压,并将谐波抑制到最低，同时能根据负载状况，自动调节平均电流幅值，并抑制输出电压波动。SDLC-++-v1ILIDIS控制流经电感的平均电流tON©2009MicrochipTechnologyIncorporated.版权所有。C10L18PFC第29页电流控制策略电感电流iL模型（整流前）电感电流iL模型（整流后）其中：Km：电流幅度vout：直流输出电压vac-rms：交流电压有效值wo：交流电压频率)sin(***0tvvKirmsacoutmLω−=)sin(***0tvvKirmsacoutmLω−=©2009MicrochipTechnologyIncorporated.版权所有。C10L18PFC第30页数字PFCVS模拟PFC数字PFC模拟PFC灵活性高低集成度高中动态响应可调节固定工作模式可调节固定智能化智能型非智能型成本低中/低数字PFC优于模拟PFC©2009MicrochipTechnologyIncorporated.版权所有。C10L18PFC第31页课程安排功率因数在电源变换系统中的意义如何实现功率因数校正?单阶的交错式功率因数校正器的设计基于dsPIC®DSC的数字环的实现调节器设计及负载均衡技术演示©2009MicrochipTechnologyIncorporated.版权所有。C10L18PFC第32页设计指标参数符号目标输出功率P350W交流输入电压VACmin,VACmax85V--264V交流输入频率fmin,fmax45Hz--66Hz输出电压VDC400V(±1.5%)效率ρ95%(额定状况)功率因数PF0.99(额定状况)©2009MicrochipTechnologyIncorporated.版权所有。C10L18PFC第33页PFC升压转换器+-~~VacC2R1R2R4R5R3R6Rsense-HV_BUS+HV_BUSC1C4L1Q1D1PWM1H|VAC|检测VDC检测IAC检测C3初级LIVE_GNDPFCMOSFET升压二极管PFC电感©2009MicrochipTechnologyIncorporated.版权所有。C10L18PFC第34页IPFC工作过程（1/3）85-265VAC（整流后）PWM1Is1PWM2IL2Is2ID2PFC输出ICIINIL1ID1ILoadR1R2R3C1|VAC|检测RsenseIAC检测Q2Q1R4R5R6C4VDC检测©2009MicrochipTechnologyIncorporated.版权所有。C10L18PFC第35页IPFC工作过程（2/3）PWM1PWM2IL1IL285-265VAC（整流后）PWM1Is1PWM2IL2Is2ID2PFC输出ICIINIL1ID1ILoad占空比=50%(IL1+IL2)t©2009MicrochipTechnologyIncorporated.版权所有。C10L18PFC第36页IPFC工作过程（3/3）PWM1PWM2IL1IL2(IL1+IL2)85-265VAC（整流后）PWM1Is1PWM2IL2Is2ID2PFCoutputICIINIL1ID1ILoad占空比50%t©2009MicrochipTechnologyIncorporated.版权所有。C10L18PFC第37页IPFC的优点降低蓄能电容器的充放电电流降低蓄能电容器的容量交流侧输入电流更平滑得益于电感电流波动的相互抵消电感电感量小尺寸小©2009MicrochipTechnologyIncorporated.版权所有。C10L18PFC第38页课程安排功率因数在电源变换系统中的意义如何实现功率因数校正?单阶的交错式功率因数校正器的设计基于dsPIC®DSC的数字环的实现调节器设计及负载均