大工14秋《電源技術(shù)》大作業(yè)

1、大連理工大學(xué)電源技術(shù)大作業(yè)宋強(qiáng)姓名:學(xué)號(hào):131486228669學(xué)習(xí)中心： 陜西咸陽(yáng)奧鵬學(xué)習(xí)中心大工 14 秋電源技術(shù)大作業(yè)及要求題目三：有源功率因數(shù)校正電路的研究1 功率因數(shù)校正基本原理及方法1.1 功率因數(shù)校正基本原理 功率因數(shù)指的是有效功率與總耗電量 （視在功率 ）之間的關(guān)系，也就是有效功 率除以總耗電量 （視在功率）的比值。基本上功率因數(shù)可以衡量電力被有效利用的 程度， 當(dāng)功率因數(shù)值越大，代表其電力利用率越高。開(kāi)關(guān)電源供應(yīng)器上的功率因 數(shù)校正器的運(yùn)作原理是去控制調(diào)整交流電電流輸入的時(shí)間與波型，使其與直流電 電壓波型盡可能一致， 讓功率因數(shù)趨近于。 這對(duì)于電力需求量大到某一個(gè)水準(zhǔn)的 電

2、子設(shè)備而言是很重要的 , 否則電力設(shè)備系統(tǒng)消耗的電力可能超出其規(guī)格，極可 能干擾銅系統(tǒng)的其它電子設(shè)備。PFC的英文全稱(chēng)為“ Power Factor Correction ”，意思是“功率因數(shù)校正”， 功率因數(shù)指的是有效功率與總耗電量 （視在功率）之間的關(guān)系，也就是有效功率除 以總耗電量 （視在功率）的比值?；旧瞎β室蛩乜梢院饬侩娏Ρ挥行Ю玫某潭龋?當(dāng)功率因素值越大，代表其電力利用率越高。計(jì)算機(jī)開(kāi)關(guān)電源是一種電容輸入型 電路，其電流和電壓之間的相位差會(huì)造成交換功率的損失，此時(shí)便需要PFC電路提高功率因數(shù)。目前的PFC有兩種，一種為被動(dòng)式PFC（也稱(chēng)無(wú)源PFC和主動(dòng)式 PFC（也稱(chēng)有源式PF

3、C 0 1.1.1拓?fù)溥x擇的一般方法由于輸入端存在電感， 升壓轉(zhuǎn)換器是提供高功率因數(shù)的方法0 此電感使輸入電 流整形與線(xiàn)路電壓同相0但是，可以采用不同的方案來(lái)控制電感電流的瞬時(shí)值， 以獲得功率因數(shù)校正0a. 臨界導(dǎo)電模式（CRM）PF由于控制的設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單， 而且可與較低速升壓二 極管配合使用，所以在較低功率應(yīng)用中通常采用此方法0b. 不連續(xù)導(dǎo)電模式（DCM）PF此創(chuàng)新的方案延承了 CRM的優(yōu)點(diǎn)，并消除了若干 限制0c.連續(xù)導(dǎo)電模式（CCM）PF由于這種方案恒頻且峰值電流較小，是較高功率（250 W）應(yīng)用的首選方案。但是，傳統(tǒng)的控制解決方案較為復(fù)雜，牽涉到多個(gè)環(huán) 路，以及以不精確著稱(chēng)的模擬乘法

4、器，并需在控制集成電路周?chē)旁S多元件。1.1.2、選擇標(biāo)準(zhǔn)1、功率水平a.如果功率水平低于150 W最好采用CRM或DC方案。至于CRM或DCM取決于你 是想優(yōu)化滿(mǎn)載效率，采用CRM而如欲減少EM問(wèn)題，選擇DCMb如功率水平高于250W CC是首選方案。此方案雖然可保持峰值電流和有效值 電流，但必須解決二極管反向恢復(fù)問(wèn)題。C.如功率水平在150W與250W之間，方案的選擇則取決于設(shè)計(jì)人員的磁件設(shè)計(jì)水 平。d如果功率在幾kw之上，則采用可控整流電路代替不控整流電路，控制方法采用 pwr整流，以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的矯正。2、其它系統(tǒng)要求：拓?fù)涞倪x擇還以滿(mǎn)足各種高能效標(biāo)準(zhǔn)。例如，如果需要使 系統(tǒng)中的頻率同

5、步，則不能采用CRM此外，如果第二個(gè)功率段可處理較大范圍（在 某些功率序列安排中可能需要）的輸入電壓，則應(yīng)選擇跟隨升壓。1.2功率因數(shù)的限制因數(shù)：為什么在一般的電路中功率因數(shù)較低呢？有很多因數(shù)的影響。其中影響功率 因數(shù)的主要原因是這些電器的整流電源普遍采用的電容濾波型橋式整流電路（圖這種電路的基本工作過(guò)程是:Rl在交流輸入電壓的正半周，D3導(dǎo)通，交流電壓通過(guò)Dl、D3寸 濾波電容C充電，若Dl、D3勺正向 電阻用r表示，交流電源內(nèi)阻用R 表示，則充電時(shí)間常數(shù)可近似表 示為：T =(2r +R)CD1、由于二極管的正向電阻r和 交流電源內(nèi)阻R很小，故r很小。濾波電容C很快被充電到交流輸入電壓的峰

6、值， 當(dāng)交流電源輸入電壓小于濾波電容 C的端電壓時(shí)，Dl、D3就處于截止?fàn)顟B(tài)；同理， 可分析負(fù)半周D2 D4的工作情況。由分析不難看出，當(dāng)電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，在交流 輸入電壓的一個(gè)周期內(nèi)二極管導(dǎo)通時(shí)間很短，輸入電流波形畸變?yōu)榉群艽蟮恼}沖電流(圖2)。鞏0由上圖可分析出，這種畸變的電流含有豐富的諧波成分，嚴(yán)重影響電器設(shè)備的功率因數(shù)。由理論推導(dǎo)也可以證明，功率因數(shù)與電流總諧波含量的近似關(guān)系為:PF =1/Q1 +(THD)2因此，降低電器設(shè)備的輸入電流 諧波含量是提高功率因數(shù)的根本 措施。2有源功率因數(shù)校正方法分類(lèi)2.1按有源功率因數(shù)校正拓?fù)浞诸?lèi)2.1.1 降壓式因噪聲大，濾波困難，功率開(kāi)關(guān)管上電

7、壓應(yīng)力大，控制驅(qū)動(dòng)電平浮動(dòng)，很少 被采用。2.1.2升/降壓式須用二個(gè)功率開(kāi)關(guān)管，有一個(gè)功率開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)浮動(dòng)，電路復(fù)雜, 較少采用。2.1.3反激式輸出與輸入隔離，輸出電壓可以任意選擇，采用簡(jiǎn)單電壓型控制，適用于150W以下功率的應(yīng)用場(chǎng)合。典型電路如圖 2所示。2.1.4 升壓式(Boost)簡(jiǎn)單電流型控制，戶(hù)F值高，總諧波失真(THD)小，效率高，但是輸出電壓高 于輸入電壓。典型電路如圖3所示。適用于752000W功率范圍的應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)用 最為廣泛。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：電路中的電感L適用于電流型控制；由于升壓型APFC 的預(yù)調(diào)整作用在輸出電容器 C上保持高電壓，所以電容器 C體積小、儲(chǔ)能

8、大；在 整個(gè)交流輸入電壓變化范圍內(nèi)能保持很高的功率因數(shù)；當(dāng)輸入電流連續(xù)時(shí)，易于 EMI濾波；升壓電感L能阻止快速的電壓、電流瞬變，提高了電路工作可靠性。ImHliVJ L2pHYi 1?plit*MtKWNiIRF4 丸斗UJU S,吉爐訕1245iuF D升壓式變換器2.2按輸入電流的控制原理分類(lèi)2.2.1平均電流型工作頻率固定，輸入電流連續(xù)(CCM)波形圖如圖4(a)所示。TI公司的UC3854 就工作在平均電流控制方式。這種控制力式的優(yōu)點(diǎn)是：恒頻控制；工作在電感電流連續(xù)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)管電流有效值小、EMI濾波器體積??；能抑制開(kāi)關(guān)噪聲；輸入電流波形失真小。主要缺點(diǎn)是：控制電路復(fù)雜，須用乘法器和

9、除法器，需檢測(cè)電感電流，需電 流控制環(huán)路。222滯后電流型工作頻率可變，電流達(dá)到滯后帶內(nèi)發(fā)生功率開(kāi)關(guān)通與斷操作， 下降。電流波形平均值取決于電感輸入電流，波形圖如圖2.2.3峰值電流型工作頻率變化，電流不連續(xù)(DCM，波形圖如圖4(c) 方法具有電路簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，似存在以下缺點(diǎn)：使輸入電流上升、4(b)所示。所示。DCM采用跟隨器PF和輸入電壓Vin與輸出電壓V0的比值有關(guān)，即當(dāng)Vin變化吋，PF值也將發(fā)生變化，同時(shí)輸入電流波形 隨Vin/Vo的值的加大而使THD變大；開(kāi)關(guān)管的峰值電流大(在相同容量情況下， DC附通過(guò)開(kāi)關(guān)器件的峰值電流為 CCM勺2倍)，從而導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管損耗增加。所以

10、在大功率APFC電路中，常采用CCM方式。2.2.4電壓控制型工作頻率固定，電流不連續(xù)，采用固定占空比的方法，電流自動(dòng)跟隨電壓。 這種控制方法一般用在輸出功率比較小的場(chǎng)合，另外在單級(jí)功率因數(shù)校正中多采 用這種方法，后面會(huì)介紹。波形圖如圖 4(d)所示。2.3其他控制方法2.3.1非線(xiàn)性載波控制技術(shù)非線(xiàn)性載波控制（NLC）不需要采樣電壓，內(nèi)部電路作為乘法器，即載波發(fā)生器 為電流控制環(huán)產(chǎn)生時(shí)變參考信號(hào)。這種控制方法工作在CCM莫式，可用于Flyback,Cuk,Boost 等拓?fù)渲?，其調(diào)制方式有脈沖前沿調(diào)制和脈沖后沿調(diào)制。 2.3.2 單周期控制技術(shù)單周期控制原理圖如圖 5 所示，是一種非線(xiàn)性控制

11、技術(shù)。該控制方法的突出 特點(diǎn)是，無(wú)論是穩(wěn)態(tài)還是暫態(tài)， 它都能保持受控量 （ 通常為斬波波形 ）的平均值恰 好等于或正比于給定值，即能在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，有效地抑制電源側(cè)的擾動(dòng)，既 沒(méi)有穩(wěn)態(tài)誤差， 也沒(méi)有暫態(tài)誤差， 這種控制技術(shù)可廣泛應(yīng)用于非線(xiàn)性系統(tǒng)的場(chǎng)合， 不必考慮電流莫式控制中的人為補(bǔ)償。2.3.3 電荷泵控制技術(shù)利用電流互感器檢測(cè)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通電流， 并給檢測(cè)電容充電， 當(dāng)充電電壓達(dá)到 控制電壓時(shí)關(guān)閉開(kāi)關(guān)管，并同時(shí)放掉檢測(cè)電容上的電壓，直到下一個(gè)時(shí)鐘脈沖到 來(lái)使開(kāi)關(guān)管再次開(kāi)通，控制電壓與電網(wǎng)輸入電壓同相位，并按正弦規(guī)律變化。由 于控制信號(hào)實(shí)際為開(kāi)關(guān)電流在一個(gè)周期內(nèi)的總電荷，因此稱(chēng)為電荷控制方式

12、。3 功率因數(shù)校正技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)3.1 兩級(jí)功率因數(shù)校正技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 目前研究的兩級(jí)功率因數(shù)校正，一般都是指 Boost PFC 前置級(jí)和后隨 DCDC 功率變換級(jí)。如圖 6 所示。對(duì) Boost PFC 前置級(jí)研究的熱點(diǎn)有兩個(gè)，一是功率電 路進(jìn)一步完善，二是控制簡(jiǎn)單化。如果工作在 PWM硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，MOSFE的開(kāi)通 損耗和二極管的反向恢復(fù)損耗都會(huì)相當(dāng)大，因此，最大的問(wèn)題是如何消除這兩個(gè) 損耗，相應(yīng)就有許多關(guān)于軟開(kāi)關(guān) Boost 變換器理論的研究，現(xiàn)在具有代表性的有 兩種技術(shù)，一是有源軟開(kāi)關(guān)，二是無(wú)源軟開(kāi)關(guān)即無(wú)源無(wú)損吸收網(wǎng)絡(luò)。1)|fRF53234 VPWO s； 一75111QTHC04

13、Di70nrToOpF1/|.24U圖6 兩級(jí)功率因M校正電路IkQ圖5 單周期控制技術(shù)有源軟開(kāi)關(guān)采用附加的一些輔助開(kāi)關(guān)管和一些無(wú)源的電感電容以及二極管， 通過(guò)控制主開(kāi)關(guān)管和輔助開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)序來(lái)實(shí)現(xiàn)ZVS或者ZCS比較成熟的有ZVT Boost，ZVS- Boost，ZCS- Boost電路等。雖然有源軟開(kāi)關(guān)能有效地解決主 開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)問(wèn)題，但輔助開(kāi)關(guān)管往往仍然是硬開(kāi)關(guān)，仍然會(huì)產(chǎn)生很大損耗， 再加上復(fù)雜的時(shí)序控制，使變換器的成本增加，可靠性降低。無(wú)源無(wú)損吸收則是采用無(wú)源元件來(lái)減小 MOSFE的dv/dt和二極管的dv/dt， 從而減小開(kāi)通損耗和反向恢復(fù)損耗。它的成本低廉，不需要復(fù)雜的控制，可

14、靠性 較咼。除了軟開(kāi)關(guān)的研究之外，另一個(gè)人們關(guān)心的研究方向是控制技術(shù)。曰前最為 常用的控制方法是平均電流控制，CC/DCM缶界控制和滯后控制3種方法。但是 新的控制方法不斷出現(xiàn)，其中大部分是非線(xiàn)性控制方法，比如非線(xiàn)性載波技術(shù)和 單周期控制技術(shù)。這些控制技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是使電路的復(fù)雜程度大大降低，可靠 性增強(qiáng)?，F(xiàn)在商業(yè)化的非線(xiàn)性控制芯片有英飛凌公司的一種新的CCM勺PFC控制器，被命名為ICE IP CSOI，是基于一種新的控制方案開(kāi)發(fā)出來(lái)的。與傳統(tǒng)的PFC解決方案比較，這種新的集成芯片（IC）無(wú)需直接來(lái)自交流電源的正弦波參考信號(hào)。該芯片采用了電流平均值控制方法，使得功率因數(shù)可以達(dá)到1。另外，還有

15、IR公司的IRIS51XX系列，基于單周期控制原理，不需要采集輸入電壓，外圍電路簡(jiǎn)單4 總結(jié)在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中功率因素校正的有相應(yīng)的好處：節(jié)省電費(fèi)，增加電力系統(tǒng) 容量，穩(wěn)定電流。 低功率因數(shù)即代表低的電力效能，越低的功率因數(shù)值代表越高 比例的電力在配送網(wǎng)絡(luò)中耗損，若較低的功率因數(shù)沒(méi)有被校正提升，電力公司除 了有效功率外，還要提供與工作非相關(guān)的虛功，這導(dǎo)致需要更大的發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)換 機(jī)、輸送工具、纜線(xiàn)及額外的配送系統(tǒng)等事實(shí)上可被省略的設(shè)施，以彌補(bǔ)損耗的 不足。有PFC功能的電子設(shè)備配可以幫助改善自身能源使用率，減少電費(fèi)，PFC也是一種環(huán)保科技，可以有效減低造成電力污染之諧波，是對(duì)社會(huì)全體有益的功 能。同時(shí)主動(dòng)式PFC優(yōu)于被動(dòng)式PFC 1.主動(dòng)式PFC提升功率因素值至95%以上, 被動(dòng)式PFC約只能改善至75%換句話(huà)說(shuō)，主動(dòng)式PFC比被動(dòng)式PFC能節(jié)約更多的 能源。2.采用主動(dòng)式PFC的電源供應(yīng)器的重量，較用笨重組件的被動(dòng)式PFC產(chǎn)品 要輕巧許多，而產(chǎn)品走向輕薄小是未來(lái) 3C市場(chǎng)必然趨勢(shì)。學(xué)習(xí)心得該課程是一門(mén)綜合性較強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)課，廣泛應(yīng)用于電磁技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和材料技術(shù)等學(xué)科理論， 我對(duì)本課程予以足夠的重視， 通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)， 掌握功率變換電路的工作原理及