第9章功率因数校正技术

Ts=T1/N
• 开关电流的周期平均值为
iSA D L i1 D iL
•
开关电流的周期有效值为
iSR D iL1D iL
25
• 而开关电流在输入电压周期内的有效值为
ISR
1 T1
T1 0
iS2dt
1 T1
N1 k 0
TS 0
iS2dt
1 N1 T1 k0 D k TS
I12 sin2 1t
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）
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• 该芯片的内部结构及构成的典型电路如图9-7 。
VD1 VD3 VD5 +
A
LA
LB
B
LC
C
VD7
S
C
VD2 VD4 VD6
图（9-8）
31
• 该电路是工作在电流不连续模式时的升压型斩 波电路。
• PFC电路中D和D′都是时变量，因此用D(t)和
D′(t)表示DtU Uo i si n1tKco1st
K=ω1LIi/Ui
• 通常K很小，DKt≈0UU.0oi s1in，1t 因此，忽略式中第2项
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• 开关电流的表达式
is Iisin 1t
0
t ksT ,ksT DsT t ksT Ds,T k1Ts
• 将i(t)分解为傅里叶级数，即
itInsinntn n1
T1 :电网电压的周期
i1 t I1si 1 n t 1 :基波成分 3
• 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
P 1
T1
T1utitdt 1
0
T1
T1 0
Usin1t
n1
In
sinnt
n
d
t
1
T1
• 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。
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§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L路构VD5 成。
u
VD1 VD3
图。 17
1DUo
jLIL
U i
IL
Ui :输入电压相量；IL :电感电流相量
电感两端的电压jLIL超前于电感电流90，只要选
择合适的占空比规律Dt,使得1 DUo Ui jLIL按
正弦规律变化，且相位比Ui超前90，就可以实现电感
电流对输入电压的跟踪。即通过控制Dt，使电感两端
的电压为正弦波，且超前于输入电压90，就可以使电
感电流成为与输入电压同相的正弦波。
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• 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
VD1 VD3
L VD5 iL
号，而电流给定信号的
S
波形为正弦绝对值，因
VD2 VD4
此电感电流的波形也为 正弦绝对值，从而实现 了功率校正。
电流 -
跟踪 控制
+
电压 控制
6
• 如果电流是正弦波，则I1R=IR,ξ=1；如果电流波形非正 弦，则
IR
In 2R I1 2 RI2 2RI3 2R
n1
• 因为I1R<IR，故无论电流波形是否为正弦，总是有ξ≤1
。
7
• 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 。
T1 0
Usin1tIn
n1
sinnt
n
d
t
1
T1
n1
T1 0
Usin1tIn
sinnt
n dt
根据正交定理，有 0 T 1sinnsinmd t 0 0
nm nm
4
1
P T1
T1 0
U
sin
1tI1
sin
1t
1
dt
UI 1 T1
T1 0
sin
1t s in
1t
• 令Ts→0，N →∞，上式变成
IS
I12 T1
T1 D t
0
sin2 1tdt
I12 T1
T1 1 D t
0
sin2 1tdt
I12 T1
T1 0
1
Ui Uo
sin1t
sin2
1tdt
I1
1 Ui
2 3Uo
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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
• 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 。
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• 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。
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• 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（Power Factor Correction— 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。
8
• 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。
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• 主电路中的电流采用0.25Ω电阻检测，CA及 其外部电路构成PI型电流控制器，该控制器 输出的控制量经锯齿波比较电路后形成PWM 信号，由驱动电路输出，驱动主电路中的开 关器件。
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§9.4 三相功率因数校正电路
一、三相单开关功率因数校正电路 • 三相单开关功率因数校正电路如图9-8所示。
（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增加功率因数校正电路会使电源总效率下 降3%-5%。
PU1I2cos1
S
URIR
功率因数λ为
I1R
IR
cos1
cos1
I1R IR
ξ:畸变因数,标志着电流波形偏离正弦的程度
cos1:位移因数，电 标流 志与 着电 基压 波小 间， 的当 相基 位 电流与电压 co同 s1， 相而 时当 ，基波滞 电后 流电 超 压时 co， s0,故也 co有 s1
– 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。
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• 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。
9
§9.2
VD1 VD3 VD2 VD4
开关电源的功率因数校正技 术
u，i u
i t
图（9-2）
• 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。
图（9-3）
• 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。
图（9-7）
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• 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 入乘法器，乘法器将电压控制器的输出信号（VA Out）与正弦绝对值参考信号（IAC）相乘，作为电 流跟踪控制器CA的给定。为了提高电压控制的快速 性，乘法器还将电流给定信号除以输入电压有效值 的二次方，这样当输入电压发生变化时，电流给定 随之变化，无需经电压控制器调节，这称为前馈控 制。例如，在后级功率保持恒定的条件下，输入电 压突然变高，PFC级的输入电流应相应减小，以保 持输入功率同输出功率的平衡。如果没有前馈控制 ，这一调节过程将由调节速度较慢的电压控制器完 成，并由于调节控制暂时的功率不平衡导致输出电 压的较大幅度波动，而通过前馈控制，这一调节过 程可以在瞬时完成，减少了输出电压的波动。
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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
ui U isi n 1t ii Iisi n1t
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
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• 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
UiR IiR
Uo2 R
- 电压
+ 给定
• 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。
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• 有源PFC电路中常用的电流跟踪控制方法：
12
• 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。
UiR、IiR:输入电压、电流有效值 Uo:输出电压 R:负载电阻
• 由于输入电压和电流都是正弦值，因此有
U iR U i 2 IiR Ii 2
• 电感电流是输入iL点I流is经i n全1t波整流后的波形，因
此有
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• 根据电路的状态空间平均模型，有
LdLi dt
ui
DtUo
D′=1-D,D为占空比
cos 1
cos 1t
sin
1
dt
UI 1 T1
T1 0
sin
2
1t
cos 1
sin
1t
cos 1t
sin
1dt
UI 1 2
cos 1
视在功率为
SURIR
UR、IR :电网电压、负载电流有效值
5
由于电网电压是正弦波，因此 ，U而2U基R 波电流的波 形也是正弦波，因此 I1 ，2式I1R可以写成
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• 升压型有源PFC电路的状态等效电路如图9-6。
IL
1DUo
Ui
sin1t
0
1DUo
jLIL
U i
IL
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
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• 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。
VD1 VD3
VD2 VD4
优点：简单、可靠，无需图（进9-4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。
• 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。
u，i u
i
0
t
图（9-1）
• 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
ititT 1
iL
S VD2 VD4
0
t
u
0
t
u
电流 -
跟踪
+
控制
电压 控制
- 电压 + 给定
0
t
(a)
图（9-5）
(b)
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• 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。