2.3功率因数校正基础解析

高频Boost功率因数校正功率碳化硅肖特基二极管的应用目标要求了解PFC电路的基本原理及应用理解PFC控制及保护电路的工作原理能够独立分析工作中遇到的PFC相关问题目录一．PFC基础知识二．PFC电路概述及其主要工作原理三．PFC控制电路原理四．PFC电压检测及过欠压保护电路五．PFC电流检测及过流保护电路六．典型案例分析及提问PFC基础知识第一部分：一．PFC基础知识1.名词解释在学习PFC电路的工作原理之前，我们先了解一下什么是PFC。PFC（PowerFactorCorrection）——功率因数校正PF就是“功率因数”的意思，主要用来表征电子产品对电能的利用效率。功率因数越高，说明电能的利用效率越高。功率因数可简单地定义为有功功率（P）与视在功率（S）之比，即其中有功功率是一个周期内电流和电压瞬时值乘积的平均值，而视在功率是电流的有效值与电压的有效值的乘积。效率就是输出功率除以输入功率的百分比。电源在工作过程中，有部分电能转换成热量损耗掉了。因此，电源必须尽量减少热量的损耗。尽管功率因数和转换效率都是指电源的利用率，但区别却很大。简单的说，功率因数产生的损耗是电力部门负担，而转换效率的损耗是用户自己负担。可以看得出来，功率因数、EMI等都是对国家电网的保护。视在功率有功功率PF功率因素和效率有何不同？2.PFC电路的作用a.谐波的概念我们为什么在我们的电源中要增加PFC电路，不加PFC电路会有什么后果。在了解这些之前，我们需要先知道另一个概念——谐波。从220V交流电网经整流供给直流，是当今电力电子技术中应用最为广泛的一种基本变流方式。输入电路通常由半波或全波整流器和后面的储能电容组成，如图1-1。整流器+滤波电容是一种非线性的元件组合，因此，开关电源对于电网表现为非线性负载。而当工频电压或电流作用于非线性负载时，就会产生不同于工频的其它频率的正弦电压或电流，如图1-2。这些不同于工频频率的正弦电压或电流，用傅立叶级数展开，就是人们称的电力谐波，如图1-3。一．PFC基础知识图1-1图1-2图1-3b.谐波的危害理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化。近三四十年来，各种电力电子装置的迅速发展使得公用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性才引起人们高度的关注。谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面。（1）谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。（2）谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。（3）谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使得上述（1）和（2）的危害大大增加，甚至引起严重事故。（4）谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。（5）谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。正因为谐波有这么多的危害，所以我们必须要对谐波进行抑制，这样，就引出了我们PFC电路的主要作用——谐波抑制。一．PFC基础知识c.谐波的抑制为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条：一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的；另一条是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为1，这当然只适用于作为主要谐波源的电力电子装置。装设谐波补偿装置的传统方法就是采用LC调谐滤波器。这种方法既可补偿谐波，又可补偿无功功率，而且结构简单，一直被广泛使用。这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使LC滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不甚理想。对于电源产品来说，目前使用最广泛的方式，就是对电源本身进行改造，在输入端增加有谐波改善功能的电路——就是所谓的PFC电路。所以简单来说，PFC电路的作用就是减少电源产生的谐波，使电源的功率因数尽可能靠近1。那么，生活中究竟有没有功率因数为1的用电设备呢？一．PFC基础知识3.PFC主要的实现方法之前我们曾经提到，功率因数可以定义为有功功率（P）与视在功率（S）之比。在线性电路中，阻抗Z=R+jX。其中，R为电阻，X为电抗。无论是感抗或容抗，均会使正弦电压和电流波形产生相位差，但电压、电流均为正弦波。所以在线性电路中，功率因数描述了负载的电抗特性，其定义为其中，是正弦电流波形相对于电压波形的相位差。当负载为纯阻性时，电压与电流波形同相，此时PF=1。而在非线性电路中，当电源电压为正弦波时，输入电流波形发生正弦畸变，导致功率因数很低，简单的相移功率因数已经不能正确反映这种关系，因为非线性负载的功率因数与电流波形的失真情况紧密相关。为此，非线性负载的功率因数定义为式中为输入电压有效值，为输入电流有效值，为基波电流有效值为基波电流与基波电压的相移因数，r表示输入电流失真系数一．PFC基础知识coscoscos1111rIIIVIVSPPFrmsrms1V1IrmsIcoscosPF由功率因数可知，要提高功率因数，有两个途径：1.使输入电压、输入电流同相位。此时，所以；2.使输入电流正弦化。即（谐波为零），有，即。利用功率因数校正技术可以使交流输入电流波形完全跟踪交流输入电压波形，使得输入电流波形呈纯正弦波，并且和输入电压同相位，此时整流器的负载可等效为纯电阻，所以有的地方又把功率因数校正电路叫做电阻仿真器。接下来的内容，我们就将围绕这两种提高功率因数的途径展开讨论。一．PFC基础知识cosrPF1cosrPFrmsII111rmsIIcosPFPFC电路概述及其主要工作原理第二部分：整流模块工作原理框图++-~交流输入PFC主电路*DC/DC主电路高频整流全桥整流EMI滤波直流输出输出滤波PFC控制PWM控制PFC驱动PWM驱动均流控制检测放大过压、过流保护模块监控RS232/RS485风扇电路温度二．PFC电路概述及其主要工作原理图2-1整流模块工作原理框图1.PFC电路的分类分类简图二．PFC电路概述及其主要工作原理有源PFC无源PFCPFC电路按电路结构分按输入电流控制原理分降压式升/降压式反激式升压式平均电流型滞环电流型峰值电流型电压控制型按电流工作模式分电流连续型CCM电流断续型DCM图2-2PFC电路分类有源功率因数按照其电路结构和输入电流控制原理不同，又可进一步细分：1．按有源功率因数校正电路结构分（1）降压式：因噪声大，滤波困难，功率开关管上电压应力大，控制驱动电平浮动，很少被采用。（2）升/降压式：需用二个功率开关管，有一个功率开关管的驱动信号浮动，电路复杂，较少采用。（3）反激式：输出与输入隔离，输出电压可以任意选择，采用简单电压型控制，适用于150W以下功率的应用场合。（4）升压式（boost）：简单电流型控制，PF值高，总谐波失真（THD）小，效率高，但是输出电压高于输入电压。适用于75W~2000W功率范围的应用场合，应用最为广泛。它具有以下优点：1电路中的电感L适用于电流型控制。2由于升压型APFC的预调整作用在输出电容器C上保持高电压，所以电容器C体积小、储能大。3在整个交流输入电压变化范围内能保持很高的功率因数。4输入电流连续，并且在APFC开关瞬间输入电流小，易于EMI滤波。5升压电感L能阻止快速的电压、电流瞬变，提高了电路工作可靠性。二．PFC电路概述及其主要工作原理2．按输入电流的控制原理分（1）峰值电流型。峰值电流控制PFC中的峰值电流控制和DC—DC变换器中的峰值电流控制原理相同，只是电流环的给定信号不再是直流而是按正弦规律变化。开关管开通时，电感电流上升，当到达给定电流值时，开关管关断，电流下降，下一个时钟周期到来时，开关管再次开通，这样，电感电流峰值按给定的正弦规律变化，电感电流波形如图2-6所示。峰值电流控制的特点：1)峰值电流控制下电流峰值和平均值之间存在误差，无法满足THD(总谐波畸变)很小的要求；2)电流峰值对噪声敏感；3)占空比大于0．5时系统产生次谐波振荡；4)需要在比较器输入端加斜坡补偿函数。二．PFC电路概述及其主要工作原理图2-6峰值电流控制型电感电流波形（2）滞环电流型。滞环电流控制滞环电流控制最初用于电压型逆变器中控制输出交流电流，后来也应用到整流器中控制输入，对Boost型PFC电路而言它是最简单的电流控制方式。滞环电流控制的原理是：电流给定信号和滞环宽度决定电感电流的上限Imax与下限Imin，当电感电流上升到Imax时，功率管断开，电感电流下降到Imin时，功率管导通，如此反复，电感电流在滞环宽度内变化，电流波形如图2-7所示。滞环控制中没有外加的调制信号，电流反馈控制和调制集于一体，可以获得很宽的电流频带宽度。滞环电流控制的特点：1)控制简单、电流动态响应快、内在的电流限流能力强；2)开关频率随占空比变化，在一个工频周期中不恒定，引起EMI问题和电流过零点的死区；3)负载对开关频率影响很大，滤波器设计只能按最低频率设计；4)滞环宽度对开关频率和系统性能影响较大，需合理选取。二．PFC电路概述及其主要工作原理图2-7滞环电流控制型电感电流波形（3）平均电流型平均电流控制平均电流控制是在峰值电流控制的基础上发展起来的，它在乘法器输出与比较器之间增加了一个电流调节器，电流调节器控制输入电流平均值，使其与电流给定信号波形相同。由于电流环有较高的增益带宽，跟踪误差小、瞬态特性较好。图2-8示出电感电流波形。平均电流控制的特点是：THD和EMI(电磁干扰)小、对噪声不敏感、适用于大功率应用场合，是目前PFC中应用最多的一种控制方式。这种控制方式的优点是：1恒频控制。2工作在电感电流连续状态，开关管电流有效值小、EMI滤波器体积小。3能抑制开关噪声。4输入电流波形失真小。主要缺点是：1控制电路复杂。2需用乘法器和除法器。3需检测电感电流。4需电流控制环路。UC3854是一种工作于平均电流的的升压型（boost）APFC电路，它的峰值开关电流近似等于输入电流，是目前使用最广泛的APFC电路。二．PFC电路概述及其主要工作原理图2-8峰值电流控制型电感电流波形2.无源PFC电路原理及应用从上面的分类图中我们可以看到，PFC电路根据工作方式可分为两大类，即无源PFC电路（也称被动式PFC电路）和有源PFC电路（也称主动式PFC电路）。无源PFC电路一般采用电感补偿方法，使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小，来提高功率因数。在交流电源进线，或整流桥与滤波电容之间直接串联电感，同时改造开关电路的校正，一般在高压滤波电容附近，是一个较大的工频电感，它最大好处就是所需线路简单，生产成本较低。二．PFC电路概述及其主要工作原理图2-3无源PFC典型应用电路图2-3显示了带无源PFC的计算机电源的输入电路。注意连接到PFC电感中心抽头的线路电压范围开关。在230V位置上（开关断开）电感线圈的两半都使用，整流器为全桥。在115V位置只使用左半电感和整流桥的左半部分，电路为半波倍压模式。如为230Vac输入的全波整流器，则在整流器的输出端将产生325Vdc。这个325Vdc总线当然是没有稳压的，随着输入线路电压而上下变动。尽管它的特点是简单，无源PFC电路仍有一些缺点。首先，巨大的电感限制了它在许多应用中的实用性。其次，如上所述，为了能在全球范围内使用，需要一个线路电压范围开关。增加该开关会增大因操作者错误（比如开关位置选择错误）而给电器/系统带来的风险。最后，被动式PFC的能源转换效率不高，容易产生工频震动和噪音等问题。二．PFC电路概述及其主要工作原理3.有源PFC电路