由上述分析不难看出,当电路达稳态
后,整流二极管的导通时间明显增大,其输入电流波形得到较大的改善(接近正弦波)。
实验表明,采用PPFC电路可使输入电流总谐波含量降低到30%以下,功率因数可提高到0.90以上。
方案优点:
原理、结构相对复杂,成本稍低,功率因数高。
方案缺点:
整流桥导通时的冲击电流较小,,谐波成分相对少,效率较低。
五、直流反馈式整流滤波电路,高频反馈式整流滤波电路
略。
有源功率因数校正(PFC)电路的发展
APFC一般采用升压式,是由于其输入电流容易连续。
在电力电子技术及电子仪器仪表中,从220V交流电网通过非控整流获得直流电压得到普遍使用。
由于整流器件工作时,导通角小于180度,因此引起输入电流波形严重畸变、含有大量谐波,使输入电路的功率因素不到0.7,对电网和其它用电设备危害很大。
为了减少这种危害,在整流滤波电路中增加功率因素校正电路已被普遍采用。
从功率因素(PF)、功率因素(PF)与总电流谐波畸变(THD:
TotalHarmonicDistortion)的关系出发,提出提高功率因数和效率的方法:
一是就最大限度地抑制输入电流的波形畸变,使THD值达到最小;
二是尽可能地使电流基波与电压基波之间的相位差趋于零,使余弦值等于1,从而实现功率因素校正。
利用功率因素校正技术,可以使交流输入电流波形完全跟踪交流输入电压波形的变化,使输入电流呈纯正正弦波,并且和输入电压同相位。
Boost拓扑结构的PFC电路工作原理:
输出电压与参考电压比较后经电压环控制器得到输出值,并与输入整流后的电压值相乘,得到电流基准信号。
输入电流与基准信号比较后经电流环控制器,其输出信号再通过PWM发生器产生控制信号来控制开关管的通断。
因为控制信号是占空比周期性变化的信号,所以得到的输入电流波形跟随输入电压整流后的波形,当开关频率比输入电压频率高得多时,输入电流具有与输入电压相同的电压波形。
一、单级功率校正——峰值电流控制
通过分析升压式有源功率校正APFC电路的基本原理,用UC3854搭建了APFC电路,在APFC控制过程中,基于UC3854的固定频率平均电流型控制APFC电路能有效地抑制输入电流波形畸变,使输入电流完全跟踪输入电压的变化,并且输出电压稳定,因此在实用中得到了广泛应用。
二、两级功率校正
由于单级DC-DC校正电路虽容易实现,但是它有控制复杂等不可克服的缺点,故提出了两级功率校正。
利用TOPswitch很容易实现两级结构的有源功率因数校正。
电路由TOPswitch构成的PFC电路和自激式半桥逆变电路组成。
通过对其工作原理进行详细分析,给出了电路参数和设计方法。
该有源功率因数校正无需额外的控制电路和辅助电源。
因此具有结构简单、成本低、性能好等特点。
传统电感式功率因数校正具有效率低、重量大、闪烁严重、噪音大、功率因数低等缺点,使其不能满足人们对供电质量的要求。
由于单级PFC功率因数校正器使用的器件少、成本低,因此已成为目前的研究热点。
但是,单级结构中,因PFC整流部分和逆变部分通常共用一个开关,使得两者之间有一定的耦合关系,给一些参数计算带来不便,并且在这种结构下,直流母线电压随着电网电压的波动而波动,这会造成负载工作点的变化.严重时可能使负载无法正常工作。
在单级自激式功率因数校正器中,直流电压的变化会引起工作频率的变化,使升压电感值的确定较为困难。
因此,单级结构的有源功率因数校正通常采用它激式,以保证工作频率的固定,这样会使控制电路复杂、成本增加。
而两级自激式功率因数校正器,无需额外的控制集成电路和控制电源,所以具有结构简单、器件少、成本低、功率因数高等优点,并且直流电压稳定,不受电网电压波动的影响,容易设计谐振参数,以保证负载工作在稳定工作点,具有很大的应用价值。
三、两级功率校正优化——直接功率转换
由于受各种器件的限制,现在又提出了直接功率转换(DPT)技术的单级PFC,AC—DC变换器,并进行了深入的分析和综合.应用DPT技术不仅可以有效地降低单级PFCAC—DC变换器的直流母线电压.也较大地提高了效率.使其在小功率的应用中具有更大的前景。
应用功率因数校正(PFC)技术可以降低AC-DC变换器中的电流谐波含量,提高其功率因数,减少对交流电网的谐波污染。
比较成熟且广泛应用的是两级方案:
PFC级后接DC-DC级。
尽管两级方案具有高功率因数、输出电压的快速调节和适合于各种功率应用等良好性能,但对小功率应用来说,它却存在着电路复杂、体积大、成本高等缺点。
近年来把PFC级和DC-DC级集成在一起的单级PFCAC—DC变换器得到了很快的发展,其目的是要简化AC-DC变换器复杂的电路来降低成本。
单级PFCAC-DC变换器使PFC级和DC-DC级共用一个功率开关管,一套控制电路控制其输出电压,在PFC级和DC-DC级之间用一个储能电容来存储输入和输出瞬时功率不平衡的能量,使其不仅能够整形输入电流,使电流谐波含量满足IEC1000-3-2的国际标准,同时还能对输出电压进行快速调节。
由于单级PFCAC-DC变换器本身结构和其工作的特点,它还存在着以下的问题:
(1)直流母线电压过高。
(2)转换效率不高。
应用直接功率转换(DFF)技术使此类变换器部分输入功率直接(一次)传递到输出端,而剩余的存储在PFC级电感中的输入功率才被传递到储能电容中,或使储能电容电压被箝位,这样不仅被重复传递的输入功率减少了,变换器的效率提高了,而且降低了储能电容的电压和开关器件的电压应力,即有效解决了单级PFCAC—DC变换器存在的上述问题。
对直接功率转换(DFF)技术提出的下列几种拓扑:
四、单周控制(OCC)法
近来,不使用桥式电路的功率因数校正(PFC)电路成为人们注意的焦点。
设计人员去掉了转换器输入端的常规桥式整流电路,可以减少开关损耗,进一步提高效率。
在这样的电路中,不存在由于导通损耗而降低效率的问题,且设计比较简单,需要的元件数量较少。
因此现在提出了不使用桥式整流电路的PFC设计——用MOSFET代替二极管,减少了导通的功率管的数目,同时提出了单周控制(OCC)方法。
由于去掉了输入整流器的导通损耗以及简化电路的设计,造成的代价是:
输入电压和输入电流的感测较为复杂,而且,输出浮动会导致电磁干扰增大。
将无桥式整流的电路与OCC控制方法结合起来,就可以用无桥式整流的方法提高效率、简化设计,并且不需要使用复杂的电流和电压感测电路。
同时电磁干扰问题也可以用一种改进版本的电路来克服。
五、现代APFC的小信号分析法及PFC器件
为解决电磁干扰及兼容问题,进行小信号分析,提出了基于Boost变换器拓扑PFC电路的建模,这是以Boost变换器为主拓扑结构,平均电流控制模式进行PFC校正,并在准静态分析法的基础上,建立系统的简化小信号模型。
在此基础上,以闭环系统的带宽和相位裕量为设计指标,给出了实用的闭环反馈控制器的设计方法。
在PFC电路中,电压、电流等变量在两种不同频率上变化:
一方面按开关频率高速切换;另一方面又按输入电压频率(工频)缓慢变化。
从系统的角度来看这是一个复杂的时变系统,采用准静态分析法来对系统的模型进行分析和设计。
提出了电流环功率级简化模型。
控制器的实现是按照电压环和电流环分别设计。
根据有源功率因数校正的基本特性。
对系统进行了建模,同时对数学模型进行分析和计算。
现在提出的嵌入式模块技术,是将来模块超小型化不可缺少的技术。
今后,在嵌入式模块等各自的技术特点不断发展的同时,应将其复合化,进一步确立基片和贴装平台技术。
另外,今后还应考虑强化无源元件的开发技术,开发由此派生的三维贴装模块技术,进一步推进实用化。
另一方面,今后应将通用无源元件应用于嵌入式模块的开发当中。
例如,薄形产品(例如:
1005尺寸和0603尺寸,厚度为0.1mm等的元件)应实现标准化。
另外,为了扩大适用范围,还应开发膜片式电感器和膜片式电容器等。
主要参考文献:
【文献一】、安森美半导体电源技术市场总监DhavalDala《功率因数校正(PFC)拓扑的选择》《电子产品世界》2005.8
【文献二】上海交通大学电子工程系,于强《无源功率因数校正电路的应用研究》
作者:
《济南职业学院学报》2005.6
【文献三】、国际整流器公司RonBrownMarcoSoldan《运用无桥式整流电路实现高效率的PFC设计》《电源世界》2005.6
【文献四】、西安石油大学苏娟,程杰斌,解茜草《基于Boost变换器拓扑PFC电路的建模与分析》《现代电子技术》2005.4.18
【文献五】、吉首大学周佩娟《有源功率因素校正APFC电路的研究》《湖南科技学院学报》2005.5
【文献六】、华南理工大学电力学院雅达电源实验王亚林梁冠安《直接功率转换在单级PFCAC-DC变换器中的应用》《电源世界》2005.11
【文献七】、郑州大学邓隐北《新型单级高功率因数电子镇流器的分析与设计》《国际文献报导》2005.3
【文献八】、刘旭《电子镇流器的滤波与校正(下)》《中国照明电器》2004.4
【文献九】、燕山大学王宝诚,赵清林《具有PFC功能的高性能电子镇流器设计》《电力电子技术》2005.8