PWM整流和有源功率因数校正

一、功率因数校正的意义
理论上，输入电压和电 流都是理想的正弦波的 情况下：
P.F.= P/S=Watts/V.A. =有功功率/视在功率 =Cosφ φ：输入电压和输入电
流的相位差。
电流为周期性的非正弦波（电压理想正弦波）功率 因数计算方法
周期性的非正弦波电流经过傅里叶变换为:
有功功率P=VRMS*I1RMSP=VRMS*I1RMS*Cosφ1 (φ1-输入电压和输入电流基波分量I1RMS 的相位差)。 S=VRMS*IRMS total 于是使功率因数Power Factor 可以表达为： P.F.=P/S= (I1RMS/I RMS total)* Cos φ1
双极性SPWM驱动电路和H桥主电路
Uspwm/Uspwm MOSFET-NMOSFET-N 34 QQ F Vo- u 0 3 0 1C L R F u D 0 3 0 D 1C V Vo+ 10mHL 1 2 QMOSFET-NMOSFET-N Q Uspwm /Uspwm
双极性SPWMH桥主电路
(5)平均电流控制 (6)低噪音敏感性 (7)低启动工作电流 (8)固定的PWM 驱动频率 (9)低偏置电压的模拟乘/除法器 (10)1A 图腾柱门极驱动 (12)精确的电压参考
2、UC3854 的功能描述
它可以进行电源的功率因数校正, 防止电源从正 弦电压市电吸取非正弦的电流, 减小电流谐波。
di
T
i c
1
sin i
2
计算法（1）-规则采用法
Tc的计算：
载波比：
K fc Tr fr Tc
fr基波频率，fc载波频率，K为整数(同步调制)。 若选K=36，fr=50Hz： 则fc= K*fr = 36*50Hz， Tc= 1/Kfr = 20ms/36
L R Vo+Vo- FF uu 00 33 00 1C1C 10mHL 234 D1_1N4148DDD FF pp 00 00 00 1Ch11Ch3 KKKK 1Rh11Rh21Rh31Rh4 FF pp 00 00 00 1Ch21Ch4 1324 QMOSFET-NQMOSFET-NQMOSFET-NQMOSFET-N VV 44 22 6 0 1R 578 000 1R1R1R FF 56 uu 1C1C 14 DDiode1N5400DDiode1N5400 55 11 1876418764 SS BB OO OO VV VLVL HH VCCVCC CC NN COMINCOMIN 12 UIR2111UIR2111 325325 33 00 11 34 12 00 00 2R2R Q9Q9 KK U3AMC74HC04AD 1212 00 0.001uFC0.001uFC1R1R 12 SPWM /SPWM
输入电流波形畸变，对 数（K）对供电线路功率因数 (PF)
电网造成污染。
的影响更大。
输入电流谐波分量大，将对电网造成污染，严重时， 对三相四线制供电，还会造成中线电位偏移，致使用 电电器设备损坏。
为了提高供电线路功率因数，保护用电设备，世 界上许多国家和相关国际组织制定出相应的技术 标准，以限制谐波电流含量。如：IEC555-2， IEC61000-3-2，EN 60555-2 等标准，它们规定了 允许产生的最大谐波电流。我国于1994 年也颁布 了《电能质量公用电网谐波》标准（GB/T1454993）。
复习：计算法产生SPWM控制信号
根据正弦调制波频率fr（周期Tr）、载波频率fc （周期Tc），计算出SPWM波各脉冲周期和占空比， 通过控制逆变电路开关器件的通断，得到所需所 需正弦波波形。
计算法（1）-规则采样法
面积等效原理(m=1)：
Tc (1 sin i) i 2
SPWM信号占空比：
四、 PWM整流电路的工作原理
单百度文库全桥电路
PWM整流电路的运行方式向量图
PWM 整流器的控制系统结构框图
五、开关电源中有源功率因数校正方法分类
1、按有源功率因数校正电路结构分类 （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）升/降压式：需用二个功率开关管，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。 （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。 （4）升压式（boost）：简单电流型控制，PF 值高，总谐波
失真（THD）小，效率高，但是输出电压高于输入电压。适用 于75W~2000W 功率范围的应用场合，应用最为广泛。
4、UC3854 的应用电路
节器。
5、主电路波形图
主电路波形图(1)
主电路波形图(2)
八、PFC 的实际设计及应用
UC3854是一种工作于平均电流的的升压型APFC 电 路控制芯片，它的峰值开关电流近似等于输入电 流，是目前使用最广泛的APFC 电路控制芯片。
1、UC3854 的特性 (1)升压脉冲宽度调制,功率因数可达0.99 (2)市电电流谐波可达<5% (3) 宽市电电压, 不需选择开关 (4)前馈市电调节
平均电流型、升压式APFC的工作原理电路
关键公式：V o V in /(1 T on / T )
PWM和电流波形图
2、平均电流型、升压式APFC的工作框图。
3、平均电流型、升压式APFC的电路原理图
3、平均电流型、升压式APFC的电路工作示意图
4、控制模块内部功能框图说明
1—电压调节器； 2—乘法器； 3—电流调节器； 4—载波发生器； 5—SPWM信号比较器； 6—驱动器； 7—输出电压快速调
升压式和反激式主电路
升压式（boost）APFC电路优点： 1）电路中的电感L 适用于电流型控制。 2）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。 3）在整个交流输入电压变化范围内能保持很高的
功率因数。 4）输入电流连续，并且在APFC 开关瞬间输入电
流小，易于EMI 滤波。 5）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。
六、有源功率因数校正方法分类
2、按输入电流的控制原理分类
（1）平均电流 型。
（2）滞后电流 型。
（3）峰值电流 型。
（4）电压控制 型。
七、APFC的工作原理
1、平均电流型、升压式APFC的工作原理：输入电压和校 正后电流为同相位单相脉动波。
PWM整流电路及其控制方法—— 有源功率因数校正（Active Power
Factor Correction ）
AC-DC 电路中使用的桥式全波整流 电路及波形图
输入电压为正弦波。 只有当输入电压大于
电容的电压时, 才有 电流给电容充电，电 流为周期性的非正弦 波。 P.F.=Cosφ无效
二、PF 与总谐波失真系数（THD）的关系
三.功率因数校正方法
由功率因数 P.F.=Cos φ*K = 1 最佳可知，要提 高功率因数，有两个途径：
1. 使输入电压、输入电流同相位。此时Cos φ =1, 所以PF=K。
2. 使输入电流正弦化。即IRMS=I1RMS（谐波为零）， 有I1RMS/IRMS=1 , 即：P.F.=Cos φ*K = 1
UC3854 利用平均电流控制方法。 它的高电压参考和大的震荡幅值可以减小对噪音
的敏感度, 工作频率可达200KHz. 可用在单相和 三相电源, 市电电压从75V 到 275V, 频率从50Hz 到 400Hz 的范围. 为了减小工作所需能 量,UC3854 有低启动电流的特点。
3、UC3854 的功能框图
电流失真系数K对功率因数的影响
电流失真系数K: K= I1RMS/I RMS total = Cosθ θ为失真角；K 为与电流
谐波分量有关的系数。 最后, 可以表达为: P.F.=Cos φ1*Cos θ 如果总的谐波分量为零,
K 就为1。
功率因数 (PF) 由电流失真系数 ( K = Cosθ ) 和基波电压、基波电流相移因数( Cos φ1) 决定。
Cos φ1 小，则表示用 电电器设备的无功功率 大，设备利用率低，导
常规整流装置使用非线性器件 （如可控硅、二极管），整流器 件的导通角小于180o，从而产生
线、变压器绕组损耗大。 大量谐波电流成份，而谐波电流
成份不做功，只有基波电流成份
K 值小，则表示输入电 流谐波分量大，将造成
做功。所以相移因数和电流失真 系数（K）相比，输入电流失真系
使P.F.= 1是电力电子技术研究方向之一
利用电力电子电路使P.F.=Cos φ*K = 1，从而实现功 率因数校正，称为APFC（有源功率因数校正）技术。
利用有源功率因数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，使输入电流波形呈纯正弦波， 并且和输入电压同相位，此时整流器的负载可等效为纯 电阻，所以有的地方又把有源功率因数校正电路叫做电 阻仿真器。