大工18春电源技术大作业答案

大连理工大学电源技术大作业

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题目四功率因数校正PFC技术的研究

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“Power Factor Correction”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(>250 W)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150 W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

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t=（2r+R)C，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PF=1/√1+（THD）²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

2.l 按有源功率因数校正拓扑分类 2.1.1 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。

2.1.2 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。

2.1.3 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。

2.1.4 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。

2.2 按输入电流的控制原理分类

2.2.1 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。

2.2.2 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。

2.2.3 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。

2.2.4 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。