有源功率因數(shù)校正技術(shù)原理及應(yīng)用

1、收稿日期:20020719有源功率因數(shù)校正技術(shù)原理及應(yīng)用APFC Technology Pr i nc iple and Appl ica tion朱方明ZHU Fangm ing余建剛YU J iangang(總參通信部駐寶雞地區(qū)軍代室寶雞721006(總參三部12局上海200072(General Staff Signal m an m inistry Bao ji D elegate Secti on,Bao ji,721006,Ch ina(General Staff12th bureau3rd m inistry,Shanghai,200072,Ch ina摘要:介紹功率因數(shù)校正定義

2、、原理及A PFC控制方法,并進(jìn)行實例分析。關(guān)鍵詞:PFC;A PFC;U C3854目前國際上推行的IEC555-2,EN60555-2, IEEE-159等標(biāo)準(zhǔn)對電子生產(chǎn)廠家入網(wǎng)電氣設(shè)備的電流諧波值進(jìn)行了限制,因此,采用功率因素校準(zhǔn)方法來實現(xiàn)“綠色能源”革命已勢在必行。本文將簡要介紹有關(guān)功率因數(shù)的概念及應(yīng)用實例。1諧波電流對電網(wǎng)的危害脈沖狀的輸入電流,含有大量諧波,一方面使諧波噪聲水平提高,同時在A C-DC整流電路的輸入端必需增加濾波器,既貴,體積、重量又龐大、笨重。而且大量電流諧波分量倒流入電網(wǎng),還會造成對電網(wǎng)的諧波“污染”。一方面產(chǎn)生“二次效應(yīng)”,即電流流過線路阻抗造成諧波電壓降,反

3、過來使電網(wǎng)電壓(原來是正弦波也發(fā)生畸變;另一方面,會造成電路故障,使變電設(shè)備損壞。例如線路和配電變壓器過熱;諧波電流會引起電網(wǎng)L C諧振,或高次諧波電流流過電網(wǎng)的高壓電容,使之過流、過熱而爆炸;在三相電路中,中線流過三相三次諧波電流的疊加,使中線過流而損壞等等。所以對電子設(shè)備進(jìn)行功率因素校正已成必然趨勢。2功率因數(shù)的定義及校正原理功率因數(shù)P F(Pow er Facto r的定義是指:交流輸入有功功率與輸入視在功率之比值,其表達(dá)式為: P F=P實 P視=P (V RM S×I RM S=V R×I1co s (V R×I R=I1co s I R=co s式中,

4、V R是電網(wǎng)電壓有效值,I R是電網(wǎng)電流有效值,I1是基波電流有效值,=I1 I R是電網(wǎng)電流交流失真因數(shù)(又稱基波因數(shù),co s是基波電壓和基波電流的相移因數(shù)。因此,功率因數(shù)P F又可定義為失真因數(shù)與相移因數(shù)之乘積。假設(shè)輸入電流無諧波時=1或I1= I R,故上式變?yōu)镻 F=co s。功率因數(shù)校正的基本原理,就是從電路上采取措施,使電源輸入電流實現(xiàn)正弦波,并與輸入電壓保持同相。功率因數(shù)與電流總諧波失真度(T H D的關(guān)系為:P F失真=11+(T H D2其中:T H D=I22+I32+I n2+ I12即為所有諧波分量的總有效值和基波分量之商。正弦化是使其他諧波為零,即I R=I1,則失

5、真因數(shù)=I1 I R=1;同相位是使=00,即co s00=1。在電源輸入級插進(jìn)功率因數(shù)校正網(wǎng)絡(luò),通過適當(dāng)?shù)目刂齐娐凡粩嗾{(diào)節(jié)輸入電流波形,使其逼近正弦波,并與輸入的電網(wǎng)電壓保持同相,這樣就達(dá)到了功率因數(shù)校正的目的。3提高AC-DC電路輸入端功率因數(shù)和減小輸入電流諧波的兩種主要方法311無源濾波器無源濾波器是在電路的整流器和電容之間串聯(lián)一個濾波電感,或在交流側(cè)接入諧振濾波器。其主要優(yōu)點是:簡單、成本低、可靠性高、E M I小。主要缺點是:尺寸、重量大,難以得到高功率因數(shù)(一般可提高到019左右,工作性能與頻率、負(fù)載變化及輸入電壓有關(guān),電感和電容間有大的充放電電流等。312有源濾波器(或稱有源功率

6、因數(shù)校正器在整流器和負(fù)載之間接入一個DC-DC開關(guān)變換器,應(yīng)用電流反饋技術(shù),使輸入端電流ii波形跟蹤交流輸入正弦電壓波形,使電網(wǎng)輸入端的電流波形逼近正弦波,并與輸入的電網(wǎng)電壓同相位。主要優(yōu)點是:可得到較高的功率因數(shù),T H D小,可在較寬輸入電壓04有源功率因數(shù)校正技術(shù)原理及應(yīng)用范圍和寬帶下工作,體積、重量小,輸出電壓也可保持恒定。主要缺點是:電路復(fù)雜,M TB F (平均無故障時間下降,成本較高,效率會有所降低等。有源功率因數(shù)校正器已廣泛應(yīng)用A C -DC 開關(guān)電源,交流不間斷電源(U PS 等領(lǐng)域。下面將主要介紹有源功率因數(shù)校正器原理及應(yīng)用方法。4APFC (Active Power Fa

7、ctor Correction 方法介紹常用的控制A C -DC 開關(guān)變換器實現(xiàn)A PFC 的方法有2大類:乘法器控制;電壓跟蹤控制。下面將主要介紹乘法器控制的3種基本方法,即電流峰值控制、電流滯環(huán)控制以及平均電流控制法。411電流峰值控制電流峰值控制的輸入電流波形如圖1所示,開關(guān)管在恒定的時鐘周期導(dǎo)通,當(dāng)輸入電流上升到基準(zhǔn)電流時,開關(guān)管關(guān)斷。取樣電流來自開關(guān)電流或電感電流,可實現(xiàn)峰值電流控制的I C 有M L 4812,M L 4819等 。圖1電流峰值控制的輸入電流波形412電流滯環(huán)控制電流滯環(huán)控制的輸入電流波形如圖2所示,開關(guān)導(dǎo)通時電感流上升,上升到上限閥值時,滯環(huán)比較器輸出低電平,開關(guān)

8、管關(guān)斷,電感電流下降;下降到下限閥值時,滯環(huán)比較器輸出高電平,開關(guān)管導(dǎo)通,電感電流上升,如此周而復(fù)始地工作,其中取樣電流來自電感電流。413平均電流控制平均電流控制的輸入電流波形如圖3所示。平均電流控制將電感電流信號與鋸齒波信號相加。當(dāng)兩信號之和超過基準(zhǔn)電流時,開關(guān)管關(guān)斷,當(dāng)其和小于基準(zhǔn)電流時,開關(guān)管導(dǎo)通。取樣電流來自實際輸入電流而不是開關(guān)電流。用于平均電流控制的I C 有U C 3854,T K 83854,M L 4821等。5UC 3854功率因數(shù)校正I C 介紹及其應(yīng)用電路511U C 3854功率因數(shù)校正I C 工作原理U C 3854功率因數(shù)校正I C 是美國U n itrode

9、公司的產(chǎn)品,具有功率因數(shù)接近1,固定頻率平均電流型控制和輸入電壓動態(tài)范圍寬,具有欠壓、過流保護(hù)功能,內(nèi)含精度為1%的715V 基準(zhǔn)電壓,啟動電流非常小等特點 。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖4所示 。圖2電流滯環(huán)控制的輸入電流波形圖3平均電流控制的輸入電流波形圖4內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖1-Gnd ,接地端。2-PKLM T ,峰值限制端,接電流檢測電阻的電壓負(fù)端。3-CA O u t ,電流放大器CA 輸出端。14現(xiàn)代電子技術(shù)2002年第10期總第141期計算機(jī)應(yīng)用4-ISEN SE,電流檢測端,內(nèi)部接CA輸入負(fù)端,外部經(jīng)電阻接電流檢測電阻的電壓正端。5-M u lt O u t,乘法器輸出端,即電流檢測另一端,內(nèi)部接

10、乘法 除法器輸出端和CA輸入正端,外部經(jīng)電阻接電流檢測電阻的電壓負(fù)端。6-I A C,輸入電流端,內(nèi)部接乘法 除法器輸入B。外部經(jīng)電阻接整流輸入電壓的正端。7-VA O u t,電壓放大器VA輸出端,內(nèi)部接乘法 除法器輸入A,外部接RC反饋網(wǎng)絡(luò)。8-V RM S,有效值電源電壓端,內(nèi)部經(jīng)過平方器接乘法 除法器輸入C,起前饋作用,其數(shù)值范圍為1154177V。9-R EF,基準(zhǔn)電壓端,產(chǎn)生715V基準(zhǔn)電壓。10-ENA,起動端,通過邏輯電路控制基準(zhǔn)電壓、振蕩器、軟起動。11-V SEN SE,輸出電壓檢測端,接電壓放大器VA的輸入負(fù)端。12-R SET,外接電阻R SET端,控制振蕩器充電電流及

11、限制乘法 除法器最大輸出。13-SS,軟起動端。14-CT,外接電容CT端,CT為振蕩器定時電容,產(chǎn)生振蕩頻率為:f=1125 R SETCT15-V CC,集成電路的供電電壓端,額定值為22V。16-GT DRV,門極驅(qū)動端,通過電阻接功率M O S開關(guān)管門極,該端電位鉗在15V。U C3854包含了采用平均電流型功率因數(shù)控制必須的全部功能,主要由電壓放大器、模擬乘法器、電流放大器和定頻脈寬調(diào)制器組成。此外還包含與功率M O SFET 兼容的柵極驅(qū)動器、715V電壓基準(zhǔn)、總線預(yù)測器、加載賦能比較器、欠壓檢測和過流比較器。其工作原理如下:輸出直流電壓經(jīng)分壓網(wǎng)絡(luò)取樣傳感到11腳,輸入到電壓放大器

12、(該放大器的閥值電壓為715V。為迫使A C輸入電流跟隨A C電壓而變化,線路電流波形被取樣后接到6腳。6腳的輸入信號在乘法器中與電壓放大器的輸出相乘(即AB對電流控制回路產(chǎn)生一個參與信號。正比于整流電壓的電壓信號施加到8腳,并在I C內(nèi)平方,在乘法器中作為除數(shù)。橫跨電流傳感電阻的電壓接到4腳和5腳,使A C線路電流緊緊跟蹤A C電壓變化。這些I C 控制輸入通過乘法器及放大器去觸發(fā)I C內(nèi)的定頻脈寬調(diào)制器來控制開關(guān)管的通斷及脈寬的大小,達(dá)到提高功率因數(shù)的目的。512U C3854功率因數(shù)校正器的應(yīng)用圖5是一種800W有源功率因數(shù)校正器的實用電路圖 。圖5實用電路圖該電路經(jīng)過實驗及分析,在額定

13、電壓和滿負(fù)載情況下,與未加PFC電路相比,輸入電流總諧波含量THD由7315%下降到414%,輸入電壓總諧波含量THD由318%下降到217%,功率因數(shù)PF由0165提高到0199,變換器效率達(dá)到9712%,電路性能符合IEC555-2要求。6結(jié)語A PFC在開關(guān)電源中運(yùn)用日趨廣泛,目前有很多高性能功率因數(shù)控制集成電路,如U C3855A B, U CC3858,M L4818,T K81854等,以及PF系列功率因數(shù)和諧波校正模塊。通過選擇使用功率因數(shù)控制電路,使電源真正實現(xiàn)“綠色電源”成為可能。參考文獻(xiàn)1劉勝利1現(xiàn)代高頻開關(guān)電源實用技術(shù)1北京:電子工業(yè)出版社,20012張占松,蔡宣三1開關(guān)電源的原理與設(shè)計1北京:電子工業(yè)出版社,19993侯振義,侯傳教1U C3854功率因數(shù)校正I C及其應(yīng)用設(shè)計1西安:電源技術(shù)應(yīng)用,1998