开关电源-功率因数校正技术

第9章功率因数校正技术§9.1谐波和功率因数的定义§9.2开关电源的功率因数校正技术§9.3单相功率因数校正电路§9.4三相功率因数校正电路§9.5软开关PFC技术§9.6单级功率因数校正技术自动化与信息工程学院电气工程系2§9.1谐波和功率因数的定义在理想情况下，电网中的电压和电流都是正弦信号，即tUu1sintIi1sin1U:电压的幅值I:电流的幅值:电网电压的角频率:电压和电流信号间的相位角自动化与信息工程学院电气工程系3通常，电网电压是由电网中的电源—发电机决定的，而电网中的电流则是由连接于电网的负载决定。某些非线性或具有时变性的负载会从电网中吸取非正弦电流，如三相感性整流负载的电流为图9-1中i的波形。这些波形是非正弦的，但仍然是与电网电压同频率的周期信号，即满足将i(t)分解为傅里叶级数，即图（9-1）u，i0tui1TtitiT1:电网电压的周期1sinnnnntIti1111sintIti:基波成分自动化与信息工程学院电气工程系4在电网中电压为正弦而电流为非正弦的的情况下，负载吸收的有功功率为根据正交定理，有101101110011111111sinsin1sinsin1sinsin11nTnnnTnnnnTTnnnndtttIUTdtttIUTdttItUTdttituTPmnmndtmTn00sinsin10自动化与信息工程学院电气工程系5视在功率为1101111121101111111011111cos2sincossincossinsincoscossinsinsinsin1111UIdttttTUIdttttTUIdtttIUTPTTTRRIUSUR、IR:电网电压、负载电流有效值自动化与信息工程学院电气工程系6功率因数λ为RRIUUISP11cos2RUU2RII112由于电网电压是正弦波，因此，而基波电流的波形也是正弦波，因此，式可以写成RRII1111coscosRRIIξ:畸变因数,标志着电流波形偏离正弦的程度1cos,0cos1cos:cos1故也有压时，滞后电，而当基波电流超前或电流与电压同相时，小，当基波电流与电压间的相位大位移因数，标志着基波自动化与信息工程学院电气工程系7如果电流是正弦波，则I1R=IR,ξ=1；如果电流波形非正弦，则因为I1RIR，故无论电流波形是否为正弦，总是有ξ≤1。23222112RRRnnRRIIIII自动化与信息工程学院电气工程系8功率因数不为1的负载会给电网带来电能质量问题，这类负载对电网的“污染”可以分为谐波电流和基波无功两部分，它们共同的危害是：（1）从电网吸去无功电流，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，降低了电网的实际可以传递的有功功率的大小。自动化与信息工程学院电气工程系9由于谐波电流是非正弦的畸变电流，他对电网的危害更大：（1）造成电网电压畸变，影响其他设备正常工作。（2）使变压器，发电机，补偿电容等设备损耗增加，温升加大，甚至烧毁。（3）造成中线电流显著增加，导致中线严重发热，引起火灾。（4）引起电网谐振，破坏电网稳定性。（5）造成电网中继电保护装置误动作。自动化与信息工程学院电气工程系10§9.2开关电源的功率因数校正技术通常，开关电源的输入级采用二极管构成的不可控容性整流电路，如图9-2。优点：结构简单、成本低、可靠性高。缺点：输入电流不是正弦波，而是位于电压峰值附近的脉冲，如图9-3。电流波形中含有大量的谐波成分，因此该电路的功率因数很低，通常仅能达到0.5-0.7，总谐波含量可达到100%-150%以上，对电网造成严重的污染。VD1VD3VD2VD4图（9-2）u，itui图（9-3）自动化与信息工程学院电气工程系11原因：二极管整流电路不具有对输入电流的可控性，当电源电压高于电容电压时，二极管导通，电源电压低于电容电压时，二极管不导通，输入电流为零，这样就形成了电源电压峰值附近的电流脉冲。解决办法：对电流脉冲的高度进行抑制，使电流波形尽量接近正弦波，这一技术称为功率因数校正（PowerFactorCorrection—PFC）。根据采用的具体方法不同，分为无源功率因数校正和有源功率因数校正。自动化与信息工程学院电气工程系12无源功率因数校正技术通过在二极管整流电路中增加电感、电容等无源元件和二极管，对电路中的电流脉冲进行抑制，以降低电流谐波含量，提高功率因数。如图9-4为一种典型的无源功率校正电路。优点：简单、可靠，无需进行控制。缺点：增加的无源元件一般体积都很大，成本也较高，并且功率因数通常仅能校正至0.95左右，而谐波含量仅能降至30%左右，难以满足现行谐波标准的限制。图（9-4）VD1VD3VD2VD4自动化与信息工程学院电气工程系13有源功率因数校正技术采用全控开关器件构成的开关电路对输入电流的波形进行控制，使之成为与电源电压同相的正弦波，总谐波含量可以降低至5%以下，而功率因数能高达0.995，从而彻底解决整流电路的谐波污染和功率因数低的问题。缺点：电路和控制较复杂、开关器件的高速开关造成电路中开关损耗较大、效率略将低于无源功率校正电路等。由于采用有源功率因数校正技术可以非常有效地降低谐波含量、提高功率因数，从而满足现行最严格的谐波标准，因此其应用越来越广泛。自动化与信息工程学院电气工程系14单向有源功率因数校正电路仅有一个全控开关器件。该电路容易实现，可靠性较高，应用广泛，基本上已经成为功率在0.5kW-3kW范围内的单相输入开关电源的标准电路形式。三相有源功率因数校正电路结构和控制较复杂，成本也很高，因此目前三相输入的开关电源通常还采用无源功率因数校正技术。自动化与信息工程学院电气工程系15§9.3单相功率因数校正电路一、基本原理开关电源中常用的单相PFC电路如图9-5所示。这一电路实际上是由二极管整流电路加升压型斩波电路构成。LS电流跟踪控制iLVD1VD3VD2VD4VD5+-电压控制+-电压给定图（9-5）(a)(b)tu0tu0tu0自动化与信息工程学院电气工程系16由于采用升压型斩波电路，只要输入电压不高于输出电压，电感L的电流就完全受开关S的通断控制。S通时，L的电流下降。因此控制S的占空比按正弦绝对值规律变化，且与输入电压同相，就可以控制L的电流波形为正弦绝对值，从而使电流的波形为正弦波，且与输入电压同相，输入功率因数为1。自动化与信息工程学院电气工程系17升压型有源PFC电路的状态等效电路如图9-6。升压型电路的输入电压是正弦电压整流后得到的直流脉冲波形，是以[0,π]为周期重复的，因此电路中输入电压的表达式定义在[0,π]区间上。将电路中的电压和电流用相量表示，可以得到如图所示的相量图。图（9-6）01sintUioUD1LILIoUD1iULILj自动化与信息工程学院电气工程系18同相的正弦波。感电流成为与输入电压，就可以使电前于输入电压的电压为正弦波，且超，使电感两端。即通过控制电流对输入电压的跟踪，就可以实现电感超前比正弦规律变化，且相位按使得择合适的占空比规律，只要选超前于电感电流电感两端的电压电感电流相量输入电压相量；90901,90::tDUILjUUDtDILjIUiLioLLiLIoUD1iULILj自动化与信息工程学院电气工程系19控制规律D（t）由如图的控制电路产生。电流跟踪控制电路使电感电流跟踪电流给定信号，而电流给定信号的波形为正弦绝对值，因此电感电流的波形也为正弦绝对值，从而实现了功率校正。电压控制电路根据升压型斩波电路的输出电压与电压给定间的误差，调节电感电流的大小，以达到控制输出电压的目的。电压控制电路的输出信号是平稳的直流信号，用乘法器将该信号同正弦绝对值信号相乘，得到幅值跟随电压控制电路输出变化的正弦绝对值信号，作为电流跟踪环的给定信号。LS电流跟踪控制iLVD1VD3VD2VD4VD5+-电压控制+-电压给定自动化与信息工程学院电气工程系20有源PFC电路中常用的电流跟踪控制方法：平均电流控制适用于功率为500W-3kW的PFC电路。峰值电流控制适用于功率小于500W的PFC电路。自动化与信息工程学院电气工程系21开关电源中采用有源PFC电路的好处：（1）输入功率因数提高，输入谐波电流减小，降低了电源对电网的干扰。（2）在输入相同有功功率的条件下，输入电流有效值明显减小，降低了对线路、开关、连接件等电流容量的要求。（3）由于有升压斩波电路，电源允许的输入电压范围扩大，通常可以达到90-270V，能适应世界各国不同的电网电压，极大的提高电源装置的可靠性和灵活性。（4）由于升压斩波电路的稳压作用，整流电路输出电压是稳定的，使后级DC-DC变换电路的工作点保持稳定，有利于提高控制精度和效率。不利影响：增加功率因数校正电路会使电源总效率下降3%-5%。自动化与信息工程学院电气工程系22二、主电路参数计算单相功率因数校正电路的输入电压和电流都是正弦波，因此有tUuii1sintIiii1sinUi:输入电压的幅值Ii:输入电流的幅值ω1:电源电压的角频率自动化与信息工程学院电气工程系23在忽略各种损耗的条件下，电路的输出功率与输入功率应相等，则有由于输入电压和电流都是正弦值，因此有电感电流是输入点流经全波整流后的波形，因此有RUIUoiRiR222iiRiiRIIUUtIiiL1sinUiR、IiR:输入电压、电流有效值Uo:输出电压R:负载电阻自动化与信息工程学院电气工程系24根据电路的状态空间平均模型，有PFC电路中D和D′都是时变量，因此用D(t)和D′(t)表示通常K很小，K≈0.01，因此，忽略式中第2项tKtUUtDoi11cossintUUtDoi1sinK=ω1LIi/UioiLUtDudtdiLD′=1-D,D为占空比自动化与信息工程学院电气工程系25开关电流的表达式开关电流的周期平均值为开关电流的周期有效值为ssssssiTkDTkTtDTkTkTttI1,0,sini1sLLSAiDDii1LLSRiDiDi1Ts=T1/N自动化与信息工程学院电气工程系26而开关电流在输入电压周期内的有效值为令Ts→0，N→∞，上式变成101221110021021sin1111NkSNkTSTSSRtIkTDTdtiTdtiTISoiToiTTSUUItdttUUTItdttDTItdttDTII321sinsin1sin1sin10121121012121012121111自动化与信息工程学院电气工程系27三、单相功率因数校正电路的控制电路单相PFC电路中常用控制芯片UC3854UC3854是专用控制集成电路，它集成了PFC电路控制所需的电压控制、平均电流跟踪控制、乘法器、驱动、保护、和基准源等全部电路，使用方便。其主要特点和技术参数为：电源电压：18～35V工作频率：10～200kHz基准源电压：7.5V驱动电流：0.5A（平均值），1.5A（峰值）自动化与信息工程学院电气工程系28该芯片的内部结构及构成的典型电路如图9-7。图（9-7）自动化与信息工程学院电气工程系29VA及外部元件构成PI型电压控制电路，正弦绝对值参考信号来自主电路中整流输出端，通过IAC引脚送入