提高开关电源功率因数的设计

本上为高次谐波 。高次谐波对电网有许多危害 ,随着 数 , cosφ是基波电压和基波电流的相移因数 [1 ] 。因此
开关电源的数量增多 ,危害也增大 ,针对这些危害 ,从 功率因数 PF 又可定义为失真因数与相移因数之乘
1992年起国际上开始以立法的形式限制高次谐波 ,国 积。电机设备的功率因数低就是因为输入的基波电压
汽车电池智能充电器电路由 RCC 自激振荡 ,启 动电路 ,智能控制电路等组成 。充电器为车用 12 V 铅酸蓄电池充电 ,属于开关电源 ,体积比原有的市频 电源小很多 。从电池充电需要脉动充电的特点出 发 ,交流 220 V 经过整流后 ,只用了 10 μ的滤波电 容 ,功率因数最高达到 90% ,如果加大滤波电容功率 因数就会下降 ,说明了不控整流电路和滤波电容是 功率因数下降的原因 ,证实了前面的分析 。 2. 2 实验室用稳压电源
1. 3 提高开关电源功率因数的方法
1 提高开关电源功率因数的方法
功率因数校正 ( PFC)的主要途径包括 :无源 PFC 技术 ,即采用体积庞大的电感 、电容滤波器 ,或用滤
1. 1 设备的功率因数
波电容变换法来提高功率因数 ,这些方法难以实现
功率因数 PF的定义是指 :交流输入有功功率与 功率因数 PF 接近 1 的功率因数校正 ; 有源 PFC 技
5)电流取样电阻
R s = 1 / ( IL1 + 0. 5ΔIL1 ) = 0. 12 (Ω )
6)开关管和输出快速恢复二极管的额定值应大
于的 2倍以上 。
7) UC3854控制器供电电源
18 V (使用 5 W 220 V ～AC /DC18 V 模块 )
2. 3 实验室用稳压电源
该电源的输入是单相交流 220 V ,电源输出是直
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我们从研究无源 PFC 技术开始 ,解决小功率开 关电源的功率因数问题 , 功率因数达到 85%左右 、功 率小于 200 W ,然后用有源功率因数校正技术解决 中 、大功率开关电源的功率因数问题 。功率因数达 到 95%、功率为 1 000 W ,并用模块的方法组建实验 室用稳压电源电源 。为了研究功率因数调节技术 , 研制汽车电池智能充电器 ( 12 V ) 、PFC 稳压电源 ( 5 V、12 V、24 V ) 、模块式 PFC稳压电源 ( 12 V、24 V ) , 经测试达到设计指标 。 2. 1 汽车电池智能充电器
IL1 = 1. 414 ×P0 /V IN m in≈ 7. 14 (A ) 式中 P0 = 1000 W , V IN m in = 198 V
纹波电流 : (经验值 ) ΔIL1 = 0. 2 ×IL1≈ 1. 4 (A )
占空比 : (在输入电流最大值时 )
D = (V0 - V IN ) /V0 = 0. 3
图 3 高功率因数校正电路工作原理方框图
从图 3中看出 ,输入电压信号、输入电流信号、输 出电压误差信号加到乘法器 ,乘法器是功率因数控制 器的关键环节 。当正弦波交流输入电压从零升至峰值 电压时 ,乘法器输出电压控制比较器的门限电平 ,而比 较器又受高频三角波信号调制 ,从而产生受控脉宽调 制 PWM 信号脉冲加到储能电感控制开关上。这样就 能快速调节开关的导通时间 ,使它及时跟所随输入电 压的变化 ,从而让功率因数校正电路前置的负载对于
提高开关电源功率因数的设计 何舒新 ,等
提高开关电源功率因数的设计
The D esign of Imp roving the Sw itching Mode Powerπs Power2factor
何舒新 蒋鸣雷 钱 卫 王娟娟
(北京信息职业技术学院 北京 100070)
[摘 要 ] 文章对目前常见开关电源的存的在问题及功率因数的提高方法做了分析及阐述 ,为提高开关 电源功率因数 ,应用有源 PFC技术 、双级结构等技术设计了实验室用稳压电源 。
2 提高开关电源功率因数的设计
术 ,特别是单相升压式高频有源功率因数校正技术 , 能实现 PF 3 0. 99 的功率因数值 ,它输出电压稳定 (升至 400 V 左右 ) ,适用于中大功率电源 ,且适应宽 输入电压 ,磁性元件小 ,可省略输入级滤波器 。在电 源输入级插进功率因数校正网络 ,就是通过适当的 控制电路不断调节输入电流波形 ,使其逼近正弦波 , 并与输入的电网电压保持同相位 。高频有源功率因 数校正电路的工作原理框图如图 3所示 。
1. 2 开关电源功率因数较低的原因 传统的 AC /DC变换器和开关电源 ,其输入电路普
遍采用了全桥二极管不控整流方式 。虽然不控整流电
等 ,限制电气 、电子产品的电流谐波值 。 国家标准 GB / T14549293《电能质量公用电网谐
波 》也对谐波电流有一定限制 ,但要求较低 。国内的 市场消费习惯也阻碍了提高开关电源功率因数技术
流电压 12 V、24 V ,最大输出功率 1 000 W。
电源用进口模块组成 (LAMBDA 公司 ) ,双级结
构 ,用了 3个模块和一些外围元件 。模块 1 (功率级 )
具有功率因数较正作用 ,它把交流 220 V 变成直流
400 V (AC /DC ) , 模 块 2 (直 流 变 换 级 ) 是 把 直 流
参考文献 [ 1 ] 周志敏 ,周纪海 ,纪爱华. 开关电源功率因数校
正电路设计与应用 [M ]. 北京 : 人民邮电出版 社 , 2004: 223.
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400 V变成直流 12 V (DC /DC) ,模块 3 (直流变换级 )
是把直流 400 V 变成直流 24 V (DC /DC) 。该电源功
率因数达到 95%。
3 结束语
通过研究及设计 3种电源 ,我们对现代绿色电源 技术有了进一步的认识 ,能够自己组建分部式电源 , 并把成果应用于教学中 ,使学生学到新的理念并降 低电源设计的难度 。以上我们主要研究了两级结 构 ,用于功率较大的环境 ,以后还可研究单级结构 、 小功率 、用途单一的电源 。随着元器件的高速发展 , 功率因数校正电路将在开关电源中得到广泛应用wk.baidu.com。
式中 V0 = 400 V , V IN = 198 V ×1. 414
计算电感值 : fs是工作频率
L1 =V IN ×D / ( fs ×Δ IL1 ) = 1. 22 (mH )
4)选择输出电容
C0
= 2 ×PO
×Δt /
(V0 2
-
V2 o m in
)≈
1
000
(μF)
式中 V0 = 400 V , Vo m in = 360 V ,Δt = 1 /60 kHz
际电工委员会于 1998年对谐波标准 IEC55522进行了 和基波电流有相移 ,相移因数 cosφ值较低。而开关电
修正 ,另外还制定了 IEC610002322标准 ,对谐波电流值 源功率因数较低的原因与电流交流失真因数 γ有关 。
的最大允许值做了规定 。发达国家率先采用了多种功 率因数校正 ( PFC)方法 ,来实现“绿色能源 ”的新技术 革命 ,并且强制推行了国际标准 IEC55522、EN6055522
路可靠 ,但它们会从电网中吸取高峰值电流 ,使输入端 电流和电压均发生畸变 。也就是说 ,大量的电气设备 自身的开关稳压电源 ,其输入前置级电路实际上是 1
的发展 。开关电源的功率因数过低浪费了电网资 个峰值检波器 ,在高压电容滤波器上的充电 ,使得整流
源 ,污染了电网 ,尤其是中 、大功率的电源危害更大 , 器的导通角缩短 3倍 ,电流脉冲变成了非正弦波的窄
控制升压 PWM 到 0. 99功率因数 ; 限制电网电流失真 < 5% ; 无需另设量程开关 ; 平均电流型 ; 低噪声灵敏度 ; 低启动电源电流 ; 固定 频 率 PWM 脉 宽 调 制 1A 图 腾 柱 式 栅 极 激励 ; 低失调模拟乘法器 /驱动器 ; 精密电压源 。 UC3854 采用 平 均 电 流 型 控 制 完 成 恒 频 电 流 控 制 ,它具有高稳定性和低失真 。不同于峰值电流型 控制 ,平均电流型控制可准确地维持正弦电网电流 , 无需斜率补偿 ,对瞬态噪声的响应极小 。允许调制 频率高达 200 kHz. 。适用电网电压 75 V ～275 V 范 围 ,电网频率 47～65 Hz。 2. 2. 2 稳压电源功率因数较正器实用电路主要参数 的设计过程 1)设计规范 : 输出最大功率 : 1 000 W ; 电网电源 : 198 V ～242 V; 47～65 Hz; 输出电压 : 400 V。 2)选择开关频率 工作频率 : 60 kHz。 3)选择电感器 输入电流最大值 :
目前国内传统的开关稳压电源数量巨大 ,其输入级 脉冲 ,因此在电网输入端接口端产生失真很大的谐波
不控整流器和高压大滤波电容产生的严重谐波电流 尖峰干扰 。如图 1、图 2所示 ,在输入电流中只有基波
干扰 ,已成为强噪声发射源 , 危害了电网的正常工 作 ,并可能会影响其他电气设备的正常工作 , 也使 220 V 电网输送线路上损耗剧增 ,在能源日益紧张的
图 4 1 000 W 有源功率因数较正器主变换电路
提高开关电源功率因数的设计 何舒新 ,等
图 5 1 000 W 有源功率因数较正器控制电路
2. 2. 1 集成电路变换 UC3854 UC3854包含了 1 个电压放大器 、1 个模拟乘法
器 /驱动器 、1 个电流放大器 、1 个横频脉宽调制器 ( PWM ) 、7. 5 V 参考电压 、电网预置器 、负载变化比 较器 、低电源检测器和过流比较器 。UC3854的特点 :
该电源的输入是单相交流 220 V ,电源输出是直 流电压 5 V、12 V、24 V ,最大输出功率 1 000 W。稳 压电源的组成为双级结构 ,前级即功率级是功率因 数校正 器 (AC /DC ) , 它 用 集 成 电 路 UC3854 (美 国 Unitrode公司出品 )作控制电路的核心部件来实现单 相升压式高频有源功率因数校正 ,电路原理图如图 4、图 5所示 。后极即直流变换级 (DC /DC)实现直流 电压 5 V、12 V、24 V 的输出 。该实验室用稳压电源 电源功率因数达到 99%。
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《仪器仪表与分析监测 》2009年第 1期
交流电网呈现电阻性 ,在开关电源的输入端 ,就可以得 到一个与输入电压几乎完全同频同相的平滑正弦波电 流 ,实现开关电源的高功率因数值。这种功率因数校 正器作为功率级完成了 AC /DC变换 ,后面还要接 DC / DC变换器满足实际需要的稳定电压值 ,用这种方式组 成的电源又叫双级结构 。
电流 I1 才做功 ,而其他各次谐波的平均功率为零不做 功 , IR 是电网输入电流有效值 ,等于基波与各次谐波之 和 。谐波电流值过大会使基波电流值 I1 降低 ,γ = I1 /
时代 ,浪费了大量的能源 。要解决这一问题 ,关键是 IR 也会降低 ,功率因数 PF下降。
要提高开关电源的功率因数 。
[关键词 ] 开关电源 ;功率因数 ;开关电源设计 [中图分类号 ] TM 912 [文献标志码 ] A
开关电源问世以来 ,就以其效率高 、功率密度高、 输入视在功率之比值 。表达式为 :
节省金属材料而在电源领域中逐渐占据了主导地位 ,
PF = Po / Pi = ( VR × I1 cosφ) / ( VR × IR ) =
它逐步克服了性能不稳定 、对周围环境的噪声干扰及 ( I1 cosφ) / IR =γcosφ
电磁辐射干扰的缺点 ,但还存在一个致命的弱点 ,即功 式中 : VR是电网电压有效值 , IR 是电网电流有效值 , I1
率因数较低 ,一般仅为 0. 5～0. 75,而且其无功分量基 是基波电流有效值 ,γ = I1 / IR 是电网电流交流失真因