第5章开关型稳压电源

第5章 开关型稳压电源
5.2.4 有源功率因数校正(PFC)电路的原理框图如图5 - 3
所示。 它主要由桥式整流器、高频电感L、 功率开关 管VT、 二极管VD、 滤波电容C和控制器等部分组成。 该电路实质上是一种升压变换器。 控制器主要由基准 电源、 低通滤波器、 误差电压放大器、 乘法器、 电 流检测与变换电路、 电流放大器、 锯齿波发生器、 比 较器和功率开关管驱动电路等部分组成。
i1
VD4
VD2
uin
uo
i1
i2
图 5 - 2 单相桥式整流电路输入电压和电流的波形
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功率因数较低的开关电源存在许多问题， 主要有： (1) 谐波电流污染电网， 干扰其他用电设备， 造 成测量仪表产生较大的误差， 还会使电动机产生较大 的噪声。 (2) 在输入功率一定的条件下， 输入电流有效值 较大， 因此必须增大输入熔断器、 断路器和电源线的 规格。 (3) 特别应当指出， 通信用开关型电源通常都采 用三相五线制供电， 三相基波电流可分别由下列各式 表示：
功率因数校正电路的主要作用是： 通过升高整流 器输出的直流电压， 迫使交流输入电流与交流输入电 压的波形及相位基本相同， 从而使功率因数接近于1。 该电路通常采用直流升压变换器。
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直流变换器的主要作用是将功率因数校正电路输 出的直流高压变换为通信和其他电子设备所需的电压。 常用的直流变换器有单端变换器、 推挽变换器和桥式 变换器等。
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5.2 功率因数校正基本电路
5.2.1
功率因数(PF)是指交流输入有功功率P与视在功率S 的比值， 即
PF P VL I1 cos
S
VL I R
I1 cos r cos
IR
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式中： r为基波因数， 即基波电流有效值I1与电网 电流有效值IR之比；
整流后， 直接加到滤波电容器两端。 只有交流输入电压 高于滤波电容两端电压时， 滤波电容才开始充电， 因此 输入电流波形为宽度很窄的脉冲， 如图5 - 2所示， 这种 电流的谐波分量很大， 输入总谐波失真可高达 100%~130%。
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VD1
VD3
i1 uin
i2 i2
＋
uo
C
负载 ro
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LB
VDB
AC 220 V
VTB
CB
VT1
VT2
交流滤波 交流整流 功率因数校正电路
VT3 VT4 直流变换器
VD1
LD
CD
VD2 负载
直流滤波
图 5 - 1 开关型稳压电源的基本组成
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工频整流器的主要作用是将交流输入电压变换为 直流电压。 该整流器通常采用单相或三相桥式整流电 路， 为了使输入电压比较平稳， 输出端还必须加入滤 波电容。
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Ia1 =Im1 sin ωt Ib1 =Im1 sin(ωt-120°) Ic1 =Im1 sin(ωt+120°) 三次谐波电流可分别由下列各式表示：
Ia3 =Im3 sin 3ωt Ib3 =Im3 sin(3ωt-360°) Ic3 =Im3 sin(3ωt+360°)
IR为电网电流有效值； I1为基波电流有效值； VL为电网电压有效值； cosφ为基波电流与基波电压的位移因数。
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在线性电路中， 无谐波电流、 电网电流有效值IR 与基波电流有效值I1相等， 基波因数r=1， 所以， 功 率因数PF应为：
PF=cosφ
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5.2.2 在无功率因数校正的开关电源中， 交流输入电压经
其作用就像一只可变电阻， 输入电压或负载变化时， 串联调整元件的压降改变， 从而使输出电压稳定不变。 当输入电压过高时， 串联调整管的功耗很大， 因此效 率很低。 当输入电压波动范围为±20 %时， 5 V稳压 器 的 典 型 效 率 只 有 35% ， 输 入 电 压 波 动 范 围 小 于 ±16%时， 典型效率也只能达到50%。
输出滤波器的主要作用是衰减直流变换器输出电 压中的高频分量， 降低输出纹波电压， 从而满足通信 和其他电子设备的要求。 输出滤波器也采用LC低通滤 波器。
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5.1.2 目前， 通信和其他电子设备采用的稳压电源主要
有线性稳压电源、 相控型稳压电源和开关型稳压电路。 线性稳压电源中， 调整元件串联在负载回路中，
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线性稳压器的主要优点是电路比较简单， 稳压精度较 高， 输出纹波电压也较低。 近年来， 推出的低压差 (输入和输出电压之差很低的)线性稳压器， 不仅具有 线性稳压器的全部优点， 而且效率也有明显提高， 目 前已广泛应用于小功率低电压的电子设备中。
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相控型稳压电源的基本工作原理是： 当输入电压 或负载变化时， 改变晶闸管的导通角， 可使输出电压 稳定不变。 与线性稳压电源相比， 由于调整元件(晶 闸管)工作于开关状态， 所以功耗较小， 效率也较高， 通常可达到70%。 要求输入和输入隔离时， 相控型稳 压电源的输入端必须加入工频变压器。 由于工作频率 很低(50 Hz)， 所以变压器的体积和重量都很大， 同时 输出端的电滤波电感和滤波电容的体积和重量也很大。
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由此可知， 三相电流的三次谐波分量是同相位的， 同理， 三相电流的六次、 九次等谐波分量也是同相位 的。 由于三相电流都流过中线， 当功率因数为1时， 流过中线的电流为零； 当功率因数很低时， 中线内的 电流很大。 由于中线无过流保护装置， 所以， 中线有 可能因过热而着火。
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5.2.3 在开关型电源中， 功率因数校正的基本方法有两
种： 无源功率因数校正和有源功率因数校正。 采用无 源功率因数校正法时， 应在开关电源输入端加入电感 量很大的低频电感， 以便减小滤波电容充电电流的尖 峰。 这种校正方法比较简单， 但是校正效果不很理想， 通常经无源功率因数校正后， 功率因数可达到0.85。 此外， 采用无源校正法时， 功率因数校正电感的体积 很大， 增加了开关电源的体积。