大工15春《電源技術》大作業(yè) 答案

1、大連理工大學電源技術大作業(yè) 姓 名： 金超 學 號： 141501128099 學習中心： ls1403jc 大工15春電源技術大作業(yè)及要求題目四：功率因數(shù)校正（PFC）技術的研究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室驍?shù)可以衡量電力被有效利用的程度， 當功率因數(shù)值越大，代表其電力利用率越高。開關電源供應器上的功率因數(shù)校正器的運作原理是去控制調(diào)整交流電電流輸入的時間與波型，使其與直流電電壓波型盡可能一致，讓功率因數(shù)趨近于。 這對于電力需求量大到某一個水準的電子設備而言

2、是很重要的, 否則電力設備系統(tǒng)消耗的電力可能超出其規(guī)格，極可能干擾銅系統(tǒng)的其它電子設備。PFC的英文全稱為“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敼β室蛩刂翟酱?，代表其電力利用率越高。計算機開關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造成交換功率的損失，此時便需要PFC電路提高功率因數(shù)。目前的PFC有兩種，一種為被動式PFC（也稱無源PFC）和主動式PFC（也稱有源式PFC）。1.1.1拓撲選擇的一般

3、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。此電感使輸入電流整形與線路電壓同相。但是，可以采用不同的方案來控制電感電流的瞬時值，以獲得功率因數(shù)校正。a臨界導電模式(CRM)PFC由于控制的設計較為簡單，而且可與較低速升壓二極管配合使用，所以在較低功率應用中通常采用此方法。b不連續(xù)導電模式(DCM)PFC此創(chuàng)新的方案延承了CRM 的優(yōu)點，并消除了若干限制。c連續(xù)導電模式(CCM)PFC由于這種方案恒頻且峰值電流較小，是較高功率(>250 W)應用的首選方案。但是，傳統(tǒng)的控制解決方案較為復雜，牽涉到多個環(huán)路，以及以不精確著稱的模擬乘法器，并需在控制集成電路周圍放許多元件。1.1

4、.2、選擇標準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，取決于你是想優(yōu)化滿載效率，采用CRM；而如欲減少EMI問題，選擇DCM。b如功率水平高于250W，CCM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問題。c如功率水平在150W 與250w之間，方案的選擇則取決于設計人員的磁件設計水平。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pwm整流，以實現(xiàn)功率因數(shù)的矯正。2、 其它系統(tǒng)要求：拓撲的選擇還以滿足各種高能效標準。例如，如果需要使系統(tǒng)中的頻率同步，則不能采用CRM。此外，如果第二

5、個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1）。這種電路的基本工作過程是：在交流輸入電壓的正半周，D1、D3導通，交流電壓通過Dl、D3對濾波電容C充電，若Dl、D3的正向電阻用r表示，交流電源內(nèi)阻用R表示，則充電時間常數(shù)可近似表示為：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值，當交流電源輸入電壓小于濾波電容C的端電壓時，Dl、D3就處于

6、截止狀態(tài)；同理，可分析負半周D2、D4的工作情況。由分析不難看出，當電路達到穩(wěn)態(tài)后，在交流輸入電壓的一個周期內(nèi)二極管導通時間很短，輸入電流波形畸變?yōu)榉群艽蟮恼}沖電流(圖2)。由上圖可分析出，這種畸變的電流含有豐富的諧波成分，嚴重影響電器設備的功率因數(shù)。由理論推導也可以證明，功率因數(shù)與電流總諧波含量的近似關系為： 因此，降低電器設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2.l 按有源功率因數(shù)校正拓撲分類2.1.1 降壓式    因噪聲大，濾波困難，功率開關管上電壓應力大，控制驅(qū)動電平浮動，很少被采用。2.1.2 升降壓式

7、0;   須用二個功率開關管，有一個功率開關管的驅(qū)動控制信號浮動，電路復雜，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，采用簡單電壓型控制，適用于150W以下功率的應用場合。典型電路如圖2所示。2.1.4 升壓式(Boost)   簡單電流型控制，戶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功率范圍的應用場合，應用最為廣泛。它具有以下優(yōu)點：電路中的電感L適用于電流型控制；由于升壓型APFC的預調(diào)整作用在輸出電容器C上保持高電壓，所以

8、電容器C體積小、儲能大；在整個交流輸入電壓變化范圍內(nèi)能保持很高的功率因數(shù)；當輸入電流連續(xù)時，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。2.2 按輸入電流的控制原理分類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)點是：恒頻控制；工作在電感電流連續(xù)狀態(tài)，開關管電流有效值小、EMI濾波器體積?。荒芤种崎_關噪聲；輸入電流波形失真小。主要缺點是：控制電路復雜，須用乘法器和除法器，需檢測電感電流，需電流控制環(huán)路。2.2.2 滯后電流

9、型    工作頻率可變，電流達到滯后帶內(nèi)發(fā)生功率開關通與斷操作，使輸入電流上升、下降。電流波形平均值取決于電感輸入電流，波形圖如圖4(b)所示。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)所示。 DCM采用跟隨器方法具有電路簡單、易于實現(xiàn)的優(yōu)點，似存在以下缺點：PF和輸入電壓Vin與輸出電壓V0的比值有關，即當Vin變化吋，PF值也將發(fā)生變化，同時輸入電流波形隨Vin/Vo的值的加大而使THD變大；開關管的峰值電流大(在相同容量情況下，DCM中通過開關器件的峰值電流為CCM的2倍)，從而導致開關管損耗增加。所以在大功率APFC電路

10、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，電流自動跟隨電壓。這種控制方法一般用在輸出功率比較小的場合，另外在單級功率因數(shù)校正中多采用這種方法，后面會介紹。波形圖如圖4(d)所示。2.3 其他控制方法2.3.1 非線性載波控制技術非線性載波控制(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)生時變參考信號。這種控制方法工作在CCM模式，可用于Flyback,Cuk,Boost等拓撲中，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 單周期控制技術單周期控制原理圖如圖5所示，是一種非線性控制技術。該控制方法的突出特點是，

11、無論是穩(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，即能在一個開關周期內(nèi)，有效地抑制電源側(cè)的擾動，既沒有穩(wěn)態(tài)誤差，也沒有暫態(tài)誤差，這種控制技術可廣泛應用于非線性系統(tǒng)的場合，不必考慮電流模式控制中的人為補償。2.3.3 電荷泵控制技術    利用電流互感器檢測開關管的開通電流，并給檢測電容充電，當充電電壓達到控制電壓時關閉開關管，并同時放掉檢測電容上的電壓，直到下一個時鐘脈沖到來使開關管再次開通，控制電壓與電網(wǎng)輸入電壓同相位，并按正弦規(guī)律變化。由于控制信號實際為開關電流在一個周期內(nèi)的總電荷，因此稱為電荷控制方式。3 功率因數(shù)校正技

12、術的發(fā)展趨勢3.1 兩級功率因數(shù)校正技術的發(fā)展趨勢    目前研究的兩級功率因數(shù)校正，一般都是指Boost PFC前置級和后隨DCDC功率變換級。如圖6所示。對Boost PFC前置級研究的熱點有兩個，一是功率電路進一步完善，二是控制簡單化。如果工作在PWM硬開關狀態(tài)下，MOSFET的開通損耗和二極管的反向恢復損耗都會相當大，因此，最大的問題是如何消除這兩個損耗，相應就有許多關于軟開關Boost變換器理論的研究，現(xiàn)在具有代表性的有兩種技術，一是有源軟開關，二是無源軟開關即無源無損吸收網(wǎng)絡。有源軟開關采用附加的一些輔助開關管和一些無源的電感電容以及二極管，通過控制主

13、開關管和輔助開關管導通時序來實現(xiàn)ZVS或者ZCS。比較成熟的有ZVTBoost，ZVSBoost，ZCSBoost電路等。雖然有源軟開關能有效地解決主開關管的軟開關問題，但輔助開關管往往仍然是硬開關，仍然會產(chǎn)生很大損耗，再加上復雜的時序控制，使變換器的成本增加，可靠性降低。無源無損吸收則是采用無源元件來減小MOSFET的dvdt和二極管的dvdt，從而減小開通損耗和反向恢復損耗。它的成本低廉，不需要復雜的控制，可靠性較高。除了軟開關的研究之外，另一個人們關心的研究方向是控制技術。曰前最為常用的控制方法是平均電流控制，CCMDCM臨界控制和滯后控制3種方法。但是新的控制方法不斷出現(xiàn)，其中大部分是

14、非線性控制方法，比如非線性載波技術和單周期控制技術。這些控制技術的主要優(yōu)點是使電路的復雜程度大大降低，可靠性增強。現(xiàn)在商業(yè)化的非線性控制芯片有英飛凌公司的一種新的CCM的PFC控制器，被命名為ICElPCSOI，是基于一種新的控制方案開發(fā)出來的。與傳統(tǒng)的PFC解決方案比較，這種新的集成芯片(IC)無需直接來自交流電源的正弦波參考信號。該芯片采用了電流平均值控制方法，使得功率因數(shù)可以達到1。另外，還有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，外圍電路簡單4總結(jié)在實際設計工作中功率因素校正的有相應的好處：節(jié)省電費，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

15、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)絡中耗損，若較低的功率因數(shù)沒有被校正提升，電力公司除了有效功率外，還要提供與工作非相關的虛功，這導致需要更大的發(fā)電機、轉(zhuǎn)換機、輸送工具、纜線及額外的配送系統(tǒng)等事實上可被省略的設施，以彌補損耗的不足。有PFC功能的電子設備配可以幫助改善自身能源使用率，減少電費，PFC也是一種環(huán)?？萍?，可以有效減低造成電力污染之諧波，是對社會全體有益的功能。同時主動式PFC優(yōu)于被動式PFC。 1. 主動式PFC提升功率因素值至95%以上，被動式PFC約只能改善至75%。換句話說，主動式PFC比被動式PFC能節(jié)約更多的能源。2. 采用主動式PFC的電源供應器的重量，較用笨重組件的被動式PFC產(chǎn)品要輕巧許多，而產(chǎn)品走向輕薄小是未來3C市場必然趨勢。學習心得電源技術是一門綜合性較強的專業(yè)課，廣泛應用于電磁技術、電子技術、計算機技術和材料技術等學科理論，我對本課程非常感興趣，而