功率因数校正(PFC)技术的研究

网络教育学院《电源技术》课程设计题目：功率因数校正（PFC）技术的研究学习中心：辽宁东港奥鹏层次：高中起点专科专业：电气工程及其自动化年级：2010年春季学号：学生：辅导教师：武东锟完成日期：2012年2月24日内容摘要本文对于单相与单相PFC技术及其控制方法的研究，针对于各种功率因数校正，介绍了相应的基本工作原理，和功率因数校正技术的额发展和其主要最主要特点。从主电路的拓扑形式和控制方式分析有源功率因数校正。进而更好的学习电源技术。关键词：功率因数校正；PFC技术；控制方法；有源功率因数引言、功率因数是衡量电器设备性能的一项重要指标。功率因数低的电器设备，不仅不利于电网传输功率的充分利用，而且往往这些电器设备的输入电流谐波含量较高，实践证明，较高的谐波会沿输电线路产生传导干扰和辐射干扰，影响其它用电设备的安全经济运行。如对发电机和变压器产生附加功率损耗，对继电器、自动保护装置、电子计算机及通讯设备产生干扰而造成误动作或计算误差。因此。防止和减小电流谐波对电网的污染，抑制电磁干扰，已成为全球性普遍关注的问题。国际电工委与之相关的电磁兼容法规对电器设备的各次谐波都做出了限制性的要求，世界各国尤其是发达国家已开始实施这一标准。随着减小谐波标准的广泛应用，更多的电源设计结合了功率因数校正(PFC)功能。设计人员面对着实现适当的PFC段，并同时满足其它高效能标准的要求及客户预期成本的艰巨任务。许多新型PFC拓扑和元件选择的涌现，有助设计人员优化其特定应用要求的设计。1功率因数校正基本原理及方法1.1功率因数校正基本原理功率因数指的是有效功率与总耗电量(视在功率)之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量(视在功率)的比值。基本上功率因数可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因数值越大，代表其电力利用率越高。开关电源供应器上的功率因数校正器的运作原理是去控制调整交流电电流输入的时间与波型，使其与直流电电压波型尽可能一致，让功率因数趋近于。这对于电力需求量大到某一个水准的电子设备而言是很重要的,否则电力设备系统消耗的电力可能超出其规格，极可能干扰铜系统的其它电子设备。PFC的英文全称为“PowerFactorCorrection”，意思是“功率因数校正”，功率因数指的是有效功率与总耗电量(视在功率)之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量(视在功率)的比值。基本上功率因素可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因素值越大，代表其电力利用率越高。计算机开关电源是一种电容输入型电路，其电流和电压之间的相位差会造成交换功率的损失，此时便需要PFC电路提高功率因数。目前的PFC有两种，一种为被动式PFC（也称无源PFC）和主动式PFC（也称有源式PFC）。1.1.1拓扑选择的一般方法由于输入端存在电感，升压转换器是提供高功率因数的方法。此电感使输入电流整形与线路电压同相。但是，可以采用不同的方案来控制电感电流的瞬时值，以获得功率因数校正。a．临界导电模式(CRM)PFC——由于控制的设计较为简单，而且可与较低速升压二极管配合使用，所以在较低功率应用中通常采用此方法。b．不连续导电模式(DCM)PFC——此创新的方案延承了CRM的优点，并消除了若干限制。c．连续导电模式(CCM)PFC——由于这种方案恒频且峰值电流较小，是较高功率(250W)应用的首选方案。但是，传统的控制解决方案较为复杂，牵涉到多个环路，以及以不精确著称的模拟乘法器，并需在控制集成电路周围放许多元件。1.1.2、选择标准1、功率水平a．如果功率水平低于150W，最好采用CRM或DCM方案。至于CRM或DCM，取决于你是想优化满载效率，采用CRM；而如欲减少EMI问题，选择DCM。b．如功率水平高于250W，CCM是首选方案。此方案虽然可保持峰值电流和有效值电流，但必须解决二极管反向恢复问题。c．如功率水平在150W与250w之间，方案的选择则取决于设计人员的磁件设计水平。d．如果功率在几kw之上，则采用可控整流电路代替不控整流电路，控制方法采用pwm整流，以实现功率因数的矫正。2、其它系统要求：拓扑的选择还以满足各种高能效标准。例如，如果需要使系统中的频率同步，则不能采用CRM。此外，如果第二个功率段可处理较大范围(在某些功率序列安排中可能需要)的输入电压，则应选择跟随升压。1.2功率因数的限制因数：为什么在一般的电路中功率因数较低呢？有很多因数的影响。其中影响功率因数的主要原因是这些电器的整流电源普遍采用的电容滤波型桥式整流电路（图1）。这种电路的基本工作过程是：在交流输入电压的正半周，D1、D3导通，交流电压通过Dl、D3对滤波电容C充电，若Dl、D3的正向电阻用r表示，交流电源内阻用R表示，则充电时间常数可近似表示为：CRr)2(由于二极管的正向电阻r和交流电源内阻R很小，故r很小。滤波电容C很快被充电到交流输入电压的峰值，当交流电源输入电压小于滤波电容C的端电压时，Dl、D3就处于截止状态；同理，可分析负半周D2、D4的工作情况。由分析不难看出，当电路达到稳态后，在交流输入电压的一个周期内二极管导通时间很短，输入电流波形畸变为幅度很大的窄脉冲电流(图2)。由上图可分析出，这种畸变的电流含有丰富的谐波成分，严重影响电器设备的功率因数。由理论推导也可以证明，功率因数与电流总谐波含量的近似关系为：2)(1/1THDPF因此，降低电器设备的输入电流谐波含量是提高功率因数的根本措施。2有源功率因数校正方法分类3.l按有源功率因数校正拓扑分类3.1.1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。3.1.2升／降压式须用二个功率开关管，有一个功率开关管的驱动控制信号浮动，电路复杂，较少采用。3.1.3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。典型电路如图2所示。3.1.4升压式(Boost)简单电流型控制，户F值高，总谐波失真(THD)小，效率高，但是输出电压高于输入电压。典型电路如图3所示。适用于75~2000W功率范围的应用场合，应用最为广泛。它具有以下优点：电路中的电感L适用于电流型控制；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；在整个交流输入电压变化范围内能保持很高的功率因数；当输入电流连续时，易于EMI滤波；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。3.2按输入电流的控制原理分类3.2.1平均电流型工作频率固定，输入电流连续(CCM)，波形图如图4(a)所示。TI公司的UC3854就工作在平均电流控制方式。这种控制力式的优点是：恒频控制；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；能抑制开关噪声；输入电流波形失真小。主要缺点是：控制电路复杂，须用乘法器和除法器，需检测电感电流，需电流控制环路。3.2.2滞后电流型工作频率可变，电流达到滞后带内发生功率开关通与断操作，使输入电流上升、下降。电流波形平均值取决于电感输入电流，波形图如图4(b)所示。3.2.3峰值电流型工作频率变化，电流不连续(DCM)，波形图如图4(c)所示。DCM采用跟随器方法具有电路简单、易于实现的优点，似存在以下缺点：PF和输入电压Vin与输出电压V0的比值有关，即当Vin变化吋，PF值也将发生变化，同时输入电流波形随Vin/Vo的值的加大而使THD变大；开关管的峰值电流大(在相同容量情况下，DCM中通过开关器件的峰值电流为CCM的2倍)，从而导致开关管损耗增加。所以在大功率APFC电路中，常采用CCM方式。3.2.4电压控制型工作频率固定，电流不连续，采用固定占空比的方法，电流自动跟随电压。这种控制方法一般用在输出功率比较小的场合，另外在单级功率因数校正中多采用这种方法，后面会介绍。波形图如图4(d)所示。3.3其他控制方法3.3.1非线性载波控制技术非线性载波控制(NLC)不需要采样电压，内部电路作为乘法器，即载波发生器为电流控制环产生时变参考信号。这种控制方法工作在CCM模式，可用于Flyback,Cuk,Boost等拓扑中，其调制方式有脉冲前沿调制和脉冲后沿调制。3.3.2单周期控制技术单周期控制原理图如图5所示，是一种非线性控制技术。该控制方法的突出特点是，无论是稳态还是暂态，它都能保持受控量(通常为斩波波形)的平均值恰好等于或正比于给定值，即能在一个开关周期内，有效地抑制电源侧的扰动，既没有稳态误差，也没有暂态误差，这种控制技术可广泛应用于非线性系统的场合，不必考虑电流模式控制中的人为补偿。3.3.3电荷泵控制技术利用电流互感器检测开关管的开通电流，并给检测电容充电，当充电电压达到控制电压时关闭开关管，并同时放掉检测电容上的电压，直到下一个时钟脉冲到来使开关管再次开通，控制电压与电网输入电压同相位，并按正弦规律变化。由于控制信号实际为开关电流在一个周期内的总电荷，因此称为电荷控制方式。4功率因数校正技术的发展趋势4.1两级功率因数校正技术的发展趋势目前研究的两级功率因数校正，一般都是指BoostPFC前置级和后随DC／DC功率变换级。如图6所示。对BoostPFC前置级研究的热点有两个，一是功率电路进一步完善，二是控制简单化。如果工作在PWM硬开关状态下，MOSFET的开通损耗和二极管的反向恢复损耗都会相当大，因此，最大的问题是如何消除这两个损耗，相应就有许多关于软开关Boost变换器理论的研究，现在具有代表性的有两种技术，一是有源软开关，二是无源软开关即无源无损吸收网络。有源软开关采用附加的一些辅助开关管和一些无源的电感电容以及二极管，通过控制主开关管和辅助开关管导通时序来实现ZVS或者ZCS。比较成熟的有ZVT—Boost，ZVS—Boost，ZCS—Boost电路等。虽然有源软开关能有效地解决主开关管的软开关问题，但辅助开关管往往仍然是硬开关，仍然会产生很大损耗，再加上复杂的时序控制，使变换器的成本增加，可靠性降低。无源无损吸收则是采用无源元件来减小MOSFET的dv／dt和二极管的dv／dt，从而减小开通损耗和反向恢复损耗。它的成本低廉，不需要复杂的控制，可靠性较高。除了软开关的研究之外，另一个人们关心的研究方向是控制技术。曰前最为常用的控制方法是平均电流控制，CCM／DCM临界控制和滞后控制3种方法。但是新的控制方法不断出现，其中大部分是非线性控制方法，比如非线性载波技术和单周期控制技术。这些控制技术的主要优点是使电路的复杂程度大大降低，可靠性增强。现在商业化的非线性控制芯片有英飞凌公司的一种新的CCM的PFC控制器，被命名为ICElPCSOI，是基于一种新的控制方案开发出来的。与传统的PFC解决方案比较，这种新的集成芯片(IC)无需直接来自交流电源的正弦波参考信号。该芯片采用了电流平均值控制方法，使得功率因数可以达到1。另外，还有IR公司的IRIS51XX系列，基于单周期控制原理，不需要采集输入电压，外围电路简单5总结在实际设计工作中功率因素校正的有相应的好处：节省电费，增加电力系统容量，稳定电流。低功率因数即代表低的电力效能，越低的功率因数值代表越高比例的电力在配送网络中耗损，若较低的功率因数没有被校正提升，电力公司除了有效功率外，还要提供与工作非相关的虚功，这导致需要更大的发电机、转换机、输送工具、缆线及额外的配送系统等事实上可被省略的设施，以弥补损耗的不足。有PFC功能的电子设备配可以帮助改善自身能源使用率，减少电费，PFC也是一种环保科技，可以有效减低造成电力污染之谐波，是对社会全体有益的功能。同时主动式PFC优于被动式PFC。1.主动式PFC提升功率因素值至95%以上，被动式PFC约只能改善至75%。换句话说，主动式PFC比被动式PFC能节约更多的能源。2.采用主动式PFC的电源供应器的重量，较用笨重组件的被动式PFC产品要轻巧许多，而产品走向轻薄小是未来3C市场必然趋势。参考文献[1]周佩娟，有源功率因素校正APFC电路的研究，湖南科技学院学报，2005.5[2]叶慧珍，开关稳压电源