開(kāi)關(guān)電源及有源功率因數(shù)校正技術(shù)

1、第第1 1章章 開(kāi)關(guān)電源技術(shù)及開(kāi)關(guān)電源技術(shù)及PFCPFC概述概述 1.1 什么是開(kāi)關(guān)電源技術(shù)什么是開(kāi)關(guān)電源技術(shù) 1.2 開(kāi)關(guān)電源的構(gòu)成及特點(diǎn)開(kāi)關(guān)電源的構(gòu)成及特點(diǎn) 1.3改善開(kāi)關(guān)改善開(kāi)關(guān)電源諧波和功率因數(shù)的方法電源諧波和功率因數(shù)的方法 1.1 什么是開(kāi)關(guān)電源技術(shù)什么是開(kāi)關(guān)電源技術(shù)直流電源分為：線性電源和開(kāi)關(guān)電源。直流電源分為：線性電源和開(kāi)關(guān)電源。 線性電源線性電源是指調(diào)整管工作在線性狀態(tài)下的直流是指調(diào)整管工作在線性狀態(tài)下的直流穩(wěn)壓電源。穩(wěn)壓電源。 圖圖1-1 利用可變電阻穩(wěn)壓利用可變電阻穩(wěn)壓 實(shí)際電源電路中，通常利用負(fù)反饋原理，以輸實(shí)際電源電路中，通常利用負(fù)反饋原理，以輸出電壓的變化量去控制晶體

2、管集電極與發(fā)射極之出電壓的變化量去控制晶體管集電極與發(fā)射極之間的電阻值，原理電路見(jiàn)圖間的電阻值，原理電路見(jiàn)圖1-2。 圖圖1-2 利用反饋加晶體管穩(wěn)壓利用反饋加晶體管穩(wěn)壓1.1 什么是開(kāi)關(guān)電源技術(shù)什么是開(kāi)關(guān)電源技術(shù)常用的線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源芯片有：常用的線性串聯(lián)型穩(wěn)壓電源芯片有：78XX系列系列（正電壓型），（正電壓型），79XX系列（負(fù)電壓型）（例如系列（負(fù)電壓型）（例如7805，輸出電壓為，輸出電壓為5V）；）；LM317（可調(diào)正電壓（可調(diào)正電壓型），型），LM337（可調(diào)負(fù)電壓型）；（可調(diào)負(fù)電壓型）； 由于調(diào)整管相當(dāng)于一個(gè)電阻，電流流過(guò)電阻時(shí)由于調(diào)整管相當(dāng)于一個(gè)電阻，電流流過(guò)電阻時(shí)會(huì)發(fā)熱，

3、所以工作在線性狀態(tài)下的調(diào)整管，一般會(huì)發(fā)熱，所以工作在線性狀態(tài)下的調(diào)整管，一般會(huì)產(chǎn)生大量的熱，導(dǎo)致效率不高（滿載才會(huì)產(chǎn)生大量的熱，導(dǎo)致效率不高（滿載才80%）。）。這是線性電源的一個(gè)主要缺點(diǎn)這是線性電源的一個(gè)主要缺點(diǎn)。1.1 什么是開(kāi)關(guān)電源技術(shù)什么是開(kāi)關(guān)電源技術(shù)1.1 什么是開(kāi)關(guān)電源技術(shù)什么是開(kāi)關(guān)電源技術(shù)線性電源特點(diǎn)線性電源特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟，已有大量集成化的穩(wěn)壓電源模優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟，已有大量集成化的穩(wěn)壓電源模 塊，穩(wěn)定性好，輸出紋波電壓小等。塊，穩(wěn)定性好，輸出紋波電壓小等。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：需要的變壓器為工頻變壓器體積大，效率低。需要的變壓器為工頻變壓器體積大，效率低。 整流管流過(guò)和負(fù)責(zé)相同的電流，

4、損耗增大；整流管流過(guò)和負(fù)責(zé)相同的電流，損耗增大； 為減少紋波，輸入濾波電容容量要求大，為減少紋波，輸入濾波電容容量要求大，否否 則脈動(dòng)電壓增加；此外，由于調(diào)整管功耗則脈動(dòng)電壓增加；此外，由于調(diào)整管功耗 大，所以需要裝體積很大的散熱片，很難大，所以需要裝體積很大的散熱片，很難滿滿 足現(xiàn)代電力電子設(shè)備發(fā)展的需求足現(xiàn)代電力電子設(shè)備發(fā)展的需求。1.1 什么是開(kāi)關(guān)電源技術(shù)什么是開(kāi)關(guān)電源技術(shù)1.1 什么是開(kāi)關(guān)電源技術(shù)什么是開(kāi)關(guān)電源技術(shù) 我我們們所說(shuō)的開(kāi)關(guān)所說(shuō)的開(kāi)關(guān)電源技術(shù)特指采用電源技術(shù)特指采用PWM技術(shù)的技術(shù)的DC/DC直流開(kāi)關(guān)電源。直流開(kāi)關(guān)電源。 我們所用的電源是指經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換才能符合使用的需要。我們所用

5、的電源是指經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換才能符合使用的需要。例如，交流變直流，高壓變低壓等。也就是我們所謂的例如，交流變直流，高壓變低壓等。也就是我們所謂的粗電變精電的過(guò)程。粗電變精電的過(guò)程。 廣義的說(shuō)，各種采用開(kāi)關(guān)器件的電力變換電路都廣義的說(shuō)，各種采用開(kāi)關(guān)器件的電力變換電路都可以叫做開(kāi)關(guān)電源?？梢越凶鲩_(kāi)關(guān)電源。 開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)電源1.1 什么是開(kāi)關(guān)電源技術(shù)什么是開(kāi)關(guān)電源技術(shù)開(kāi)關(guān)電源的特點(diǎn)開(kāi)關(guān)電源的特點(diǎn) 直流電直接由市電整流獲得，不需要工頻變直流電直接由市電整流獲得，不需要工頻變壓器，體積小重量輕。壓器，體積小重量輕。 工作頻率高，濾波電容數(shù)值小也使得整個(gè)電源工作頻率高，濾波電容數(shù)值小也使得整個(gè)電源體積小，重量輕體積

6、小，重量輕。 調(diào)整管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，功耗小，機(jī)內(nèi)溫升低，調(diào)整管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，功耗小，機(jī)內(nèi)溫升低，提升了整機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性。提升了整機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性。開(kāi)關(guān)電源技術(shù)即現(xiàn)代電源技術(shù)開(kāi)關(guān)電源技術(shù)即現(xiàn)代電源技術(shù)。 1.1 什么是開(kāi)關(guān)電源技術(shù)什么是開(kāi)關(guān)電源技術(shù)電子設(shè)備的小型化和低成本化，使電源以輕、電子設(shè)備的小型化和低成本化，使電源以輕、薄、小和高效率為發(fā)展方向。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電薄、小和高效率為發(fā)展方向。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源很難滿足現(xiàn)代電子設(shè)備發(fā)展的要求。源很難滿足現(xiàn)代電子設(shè)備發(fā)展的要求。開(kāi)關(guān)電源以其體積小、重量輕、效率高性能穩(wěn)開(kāi)關(guān)電源以其體積小、重量輕、效率高性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)逐漸取代傳統(tǒng)技術(shù)制造的線性

7、電源，并定等優(yōu)點(diǎn)逐漸取代傳統(tǒng)技術(shù)制造的線性電源，并廣泛應(yīng)用于電子整機(jī)和設(shè)備中。廣泛應(yīng)用于電子整機(jī)和設(shè)備中?，F(xiàn)代電源技術(shù)指開(kāi)關(guān)電源技術(shù)現(xiàn)代電源技術(shù)指開(kāi)關(guān)電源技術(shù)1.1 什么是開(kāi)關(guān)電源技術(shù)什么是開(kāi)關(guān)電源技術(shù)1.2 開(kāi)關(guān)電源國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r開(kāi)關(guān)電源國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r20世紀(jì)世紀(jì)50年代，美國(guó)宇航局最先為搭載火年代，美國(guó)宇航局最先為搭載火箭開(kāi)發(fā)了體積小，重量輕的開(kāi)關(guān)電源。箭開(kāi)發(fā)了體積小，重量輕的開(kāi)關(guān)電源。 20世紀(jì)世紀(jì)80年代，計(jì)算機(jī)已經(jīng)全面實(shí)現(xiàn)了年代，計(jì)算機(jī)已經(jīng)全面實(shí)現(xiàn)了開(kāi)關(guān)電源化。隨后開(kāi)關(guān)電源化。隨后90年代，開(kāi)關(guān)電源在其年代，開(kāi)關(guān)電源在其他領(lǐng)域（電子，電氣設(shè)備、家電領(lǐng)域）得他領(lǐng)域（電子，電氣設(shè)備、家電

8、領(lǐng)域）得到了廣泛應(yīng)用。到了廣泛應(yīng)用。開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 高頻化、小型化高頻化、小型化。開(kāi)關(guān)電源的體積、重量主要。開(kāi)關(guān)電源的體積、重量主要是由儲(chǔ)能元件決定。在一定范圍內(nèi)，開(kāi)關(guān)頻率的是由儲(chǔ)能元件決定。在一定范圍內(nèi)，開(kāi)關(guān)頻率的提高，不僅能有效的減少儲(chǔ)能元件的體積、重量，提高，不僅能有效的減少儲(chǔ)能元件的體積、重量，而且還能抑制干擾，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。因此，而且還能抑制干擾，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。因此，高頻化是開(kāi)關(guān)電源的主要發(fā)展方向。高頻化是開(kāi)關(guān)電源的主要發(fā)展方向。 高可靠性高可靠性。從壽命的角度，提高電解電容，光。從壽命的角度，提高電解電容，光耦，排風(fēng)扇的壽命。從設(shè)計(jì)的角度，

9、提高電源集耦，排風(fēng)扇的壽命。從設(shè)計(jì)的角度，提高電源集成度，減少元器件，簡(jiǎn)化電路，提高可靠性。成度，減少元器件，簡(jiǎn)化電路，提高可靠性。 1.2 開(kāi)關(guān)電源國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r開(kāi)關(guān)電源國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 低噪聲低噪聲。開(kāi)關(guān)電源的頻率越高，噪聲也就越大。開(kāi)關(guān)電源的頻率越高，噪聲也就越大。這是開(kāi)關(guān)電源的缺點(diǎn)之一。因此，盡可能降低噪這是開(kāi)關(guān)電源的缺點(diǎn)之一。因此，盡可能降低噪聲是開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展方向（目前是諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)）聲是開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展方向（目前是諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)） 采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和控制采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和控制。采用。采用CAD設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)（拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)（拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù))，使開(kāi)關(guān)電源具有最簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)，使開(kāi)關(guān)電源具有最簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)

10、和最佳工況。在電路中引入微機(jī)監(jiān)測(cè)，構(gòu)成多功和最佳工況。在電路中引入微機(jī)監(jiān)測(cè)，構(gòu)成多功能監(jiān)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)報(bào)警等。能監(jiān)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)報(bào)警等。 1.2 開(kāi)關(guān)電源國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r開(kāi)關(guān)電源國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r電力電子器件和磁性元件的發(fā)展與開(kāi)關(guān)電電力電子器件和磁性元件的發(fā)展與開(kāi)關(guān)電源發(fā)展是息息相關(guān)的。源發(fā)展是息息相關(guān)的。研究低損耗，低噪聲技術(shù)以及開(kāi)發(fā)新型研究低損耗，低噪聲技術(shù)以及開(kāi)發(fā)新型（高速高頻）元器件，是開(kāi)關(guān)電源實(shí)現(xiàn)小（高速高頻）元器件，是開(kāi)關(guān)電源實(shí)現(xiàn)小型化、高頻化以及高可靠性的重要推動(dòng)。型化、高頻化以及高可靠性的重要推動(dòng)。 總之，高效率、小型化、智能化以及高可靠性總之，高效率、小型化、智

11、能化以及高可靠性是大勢(shì)所趨，也是開(kāi)關(guān)電源今后的發(fā)展方向。是大勢(shì)所趨，也是開(kāi)關(guān)電源今后的發(fā)展方向。1.2 開(kāi)關(guān)電源國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r開(kāi)關(guān)電源國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r1.3 改善開(kāi)關(guān)電源功率因數(shù)和諧波的方法改善開(kāi)關(guān)電源功率因數(shù)和諧波的方法開(kāi)關(guān)電源諧波嚴(yán)重和功率因數(shù)低的原因：二極開(kāi)關(guān)電源諧波嚴(yán)重和功率因數(shù)低的原因：二極管整流和電容濾波管整流和電容濾波 解決用電設(shè)備諧波污染的方法：解決用電設(shè)備諧波污染的方法： （一）增設(shè)電網(wǎng)補(bǔ)償裝置（有源和無(wú)源濾波）（一）增設(shè)電網(wǎng)補(bǔ)償裝置（有源和無(wú)源濾波） （二）改進(jìn)電力電子裝置使之不產(chǎn)生或產(chǎn)生很（二）改進(jìn)電力電子裝置使之不產(chǎn)生或產(chǎn)生很小的諧波（小的諧波（PWM整流和功率因數(shù)校正技

12、術(shù)）整流和功率因數(shù)校正技術(shù)）（3-4）功率因數(shù)校正功率因數(shù)校正(Power Factor Correction,PFC)實(shí)實(shí)現(xiàn)的方法現(xiàn)的方法 （一）無(wú)源功率因數(shù)校正（一）無(wú)源功率因數(shù)校正（Passive Power Factor Correction, PPFC） （二）有源功率因數(shù)校正（二）有源功率因數(shù)校正（Active Power Factor Correction, APFC）3-17 無(wú)源功率因數(shù)校正無(wú)源功率因數(shù)校正( PPFC)技術(shù)是通過(guò)在整流電路技術(shù)是通過(guò)在整流電路中加入電感和電容等無(wú)源元件，使整流橋中的二極管中加入電感和電容等無(wú)源元件，使整流橋中的二極管導(dǎo)通時(shí)間變長(zhǎng)，從而降低電流

13、諧波，提高功率因數(shù)。導(dǎo)通時(shí)間變長(zhǎng)，從而降低電流諧波，提高功率因數(shù)。它是傳統(tǒng)補(bǔ)償無(wú)功和抑制諧波的主要手段。它是傳統(tǒng)補(bǔ)償無(wú)功和抑制諧波的主要手段。PPFC技術(shù)技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及成本低的優(yōu)點(diǎn)，雖然校正效果不如具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及成本低的優(yōu)點(diǎn)，雖然校正效果不如APFC技術(shù)理想，但在中小功率場(chǎng)合仍具有良好的應(yīng)用技術(shù)理想，但在中小功率場(chǎng)合仍具有良好的應(yīng)用價(jià)值價(jià)值。 （一）無(wú)源功率因數(shù)校正（一）無(wú)源功率因數(shù)校正傳統(tǒng)無(wú)源濾波電路通常在分析PPFC原理時(shí)，采用的圖a所示的DCL方式電路，濾波電感接在整流橋的后面，而實(shí)際應(yīng)用中一般是將濾波電感接在整流橋的前面，采用的是圖所示的ACL方式電路，這種接法可以有效地去除直流分

14、量，避免電感鐵心飽和。同時(shí)在相同的條件下，采用ACL方式輸出直流電壓損失較小，電源電壓利用率高。LC濾波電路中合適地選取電感值的大小，有利于PFC的效果。在輸出功率不變時(shí)，當(dāng)電感量較小(5mH)時(shí)，PFC效果不明顯，但隨著電感量的增大當(dāng)L= 50mH時(shí)，整流二極管的導(dǎo)通時(shí)間變長(zhǎng)，尖脈沖狀的輸入電流變得平滑，輸入電流總諧波減少。但當(dāng)L= 300mH時(shí)，雖然高次諧波分量進(jìn)一步減小，輸入電流波形更近似于正弦波，但輸入電流與輸入電壓之間的相位差明顯加大，使得功率因數(shù)降低，無(wú)功功率增大，電源的利用率下降。從圖2-2中還可看出隨著電感量的增大直流輸出電壓明顯下降。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明無(wú)源LC濾波電路在小功率場(chǎng)合

15、應(yīng)用，PFC較好，不太適合功率大于300W的應(yīng)用場(chǎng)合。圖2-3所示為輸出功率P=300W時(shí)的輸入電流波形和諧渡頻譜圖，從圖中可知雖然高次諧波含量得到了非常好的抑制，但隨著輸出功率的增大，輸人電流與輸入電壓之間的相位差明顯加大，使得PFC效果較差。輸入電流波形和輸出電壓平均值輸入電流波形和輸出電壓平均值 PPFC技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是：簡(jiǎn)單可靠、不需控制電路、EMI小。 主要缺點(diǎn)是主要缺點(diǎn)是： （1）濾波電感和電容的值較大，因此體積較大，而且難以得到高功率因數(shù)（一般可提高到90%左右），在有些場(chǎng)合下，無(wú)法滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的諧波限制要求； （2）如產(chǎn)生的諧波超過(guò)設(shè)計(jì)時(shí)的參數(shù)，會(huì)造成濾波器

16、過(guò)載或損壞； （3）濾波電容上的電壓是后級(jí)DC/DC變換器的輸入電壓，它隨輸入交流電壓和輸出負(fù)載的變化而變化，這個(gè)變化的電壓影響了DC/DC變換器的性能。 由于PPFC技術(shù)采用低頻電感和電容進(jìn)行輸入濾波，工作性能與頻率、負(fù)載變化及輸入電壓變化有關(guān)，因此比較適合于功率相對(duì)較小（如小于300W）、對(duì)體積和重量要求不高且對(duì)價(jià)格敏感的場(chǎng)合應(yīng)用。（二）有源功率因數(shù)校正（二）有源功率因數(shù)校正（APFC） APFC技術(shù)由于電路工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因此相對(duì)于技術(shù)由于電路工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因此相對(duì)于PPFC技術(shù)具有體積小、重量輕、效率高的優(yōu)點(diǎn)，在開(kāi)關(guān)電源中得到廣泛技術(shù)具有體積小、重量輕、效率高的優(yōu)點(diǎn)，在開(kāi)關(guān)電

17、源中得到廣泛應(yīng)用。應(yīng)用。 從不同的角度看，從不同的角度看，APFC技術(shù)有很多種分類方法。從電網(wǎng)供電技術(shù)有很多種分類方法。從電網(wǎng)供電方式來(lái)分，可分為單相方式來(lái)分，可分為單相APFC電路和三相電路和三相APFC電路；從控制模式電路；從控制模式米分，可分為電流連續(xù)模式米分，可分為電流連續(xù)模式(ContinuousCurrern - ModeCCM)、電流斷續(xù)模式（電流斷續(xù)模式（Discontinuoua CUrrent Mode，DCM）和電流臨界）和電流臨界模式模式(Boundary Current - Mode，BCM)從開(kāi)關(guān)模式來(lái)分，可分為從開(kāi)關(guān)模式來(lái)分，可分為硬開(kāi)關(guān)模式和軟開(kāi)關(guān)模式；從電路構(gòu)

18、成來(lái)分，可分為兩級(jí)硬開(kāi)關(guān)模式和軟開(kāi)關(guān)模式；從電路構(gòu)成來(lái)分，可分為兩級(jí)APFC電電路和單級(jí)路和單級(jí)APFC電路電路 在開(kāi)關(guān)電源等電力電子裝置中實(shí)施功率因數(shù)校正措施，除了要滿足這些強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)的要求、獲得市場(chǎng)準(zhǔn)入條件外，其意義還有以下幾點(diǎn)： (1)在開(kāi)關(guān)電源等電力電子裝置中，實(shí)施PFC措施后，由于減少了諧波電流含量，有利于降低對(duì)其他用電設(shè)備的干擾，功率因數(shù)的提高也有利于提高電網(wǎng)設(shè)備的利用率和節(jié)約電能。 (2) 采取PFC措施后（一般都使用Boost電路），電源的允許輸入電壓范圍擴(kuò)大，可以達(dá)到90 - 270V（單相），能適應(yīng)世界各國(guó)不同的電網(wǎng)電壓，大大提高了開(kāi)關(guān)電源的可靠性。 （三）（三）在開(kāi)關(guān)電源中

19、實(shí)施功率因數(shù)校正的意義在開(kāi)關(guān)電源中實(shí)施功率因數(shù)校正的意義（3）采取PFC措施后，由于PFC電路的穩(wěn)壓作用，其輸出電壓是基本穩(wěn)定的，有利于后級(jí)DC/DC變換電路的工作點(diǎn)保持穩(wěn)定和提高控制精度。 （4）可以提高電網(wǎng)設(shè)備的安全性，在三相四線制電路中，3次諧波在中線中的電流同相位，導(dǎo)致中線電流很大致使中線有可能因過(guò)電流發(fā)熱而引起火災(zāi)、損壞電氣設(shè)備。在開(kāi)關(guān)電源等電力電子裝置中，采取PFC揩施后，減小了諧波電流分量，減小了中線電流，可有效提高供電系統(tǒng)的可靠性。 （5）可以提高開(kāi)關(guān)電源等電力電子裝置自身的可靠性，如果不采取PFC措施，過(guò)大的尖蜂脈沖電流，嚴(yán)重危害直流側(cè)的濾波電容，引起二極管正向壓降增加、導(dǎo)致

20、功耗增加。另外，輸入側(cè)的EMI濾波元件因承受高峰值電流脈沖，也需要加大參數(shù)指標(biāo)，以提高承受能力。（6）提高用電安全性 ，例如，美國(guó)從安全角度出發(fā)，提出功率因數(shù)的要求。在美國(guó)，辦公環(huán)境使用的110V/15A電源插座，由于UL（美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)所）標(biāo)準(zhǔn)的限制只能使用12A的電流。 如果電源效率為85%、PF=0 65，設(shè)備只能得到729. 3W的功率(110V12A0 85 65=729. 3W)，功率再大就要跳閘。同樣輸入條件下，增加輸出功率有兩種辦法：一是提高電源效率；二是提高功率因數(shù)。提高效率要受到電源電路水平的限制，難度較大，并且效果也不明顯，但提高功率因數(shù)則效果明顯，例如把PF=0. 65

21、提高到PF=0 99，設(shè)備在相同條件下就能得到1170的功率(110V12A0 850 99=1170W)，這樣就可以滿足新一代工作站、大功率音響設(shè)備等需要較大（一般都在700W以上）功率的要求。（四）（四）PFC技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及研究熱點(diǎn)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及研究熱點(diǎn)從無(wú)源到有源PFC得益于電力電子器件的發(fā)展，APFC從單相到三相，從硬開(kāi)關(guān)到軟開(kāi)關(guān)。研究熱點(diǎn)： （1）新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的提出，主要是基于已有的或新的原理得到新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以提高轉(zhuǎn)換效率或達(dá)到簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)的目的。 （2）把DC/DC變換器中的新技術(shù)應(yīng)用于APFC電路中。例如，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的應(yīng)用可以提高開(kāi)關(guān)頻率、減少開(kāi)關(guān)損耗和EMI。 （3) 基

22、于已有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的新控制方法，以及基于新拓?fù)涞奶厥饪刂品椒ǖ难芯?，引入預(yù)測(cè)控制、空間矢量控制、單周期控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制以及模糊控制等新型控制策略可改善電路的性能。 總之，成本低、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，并且具有高響應(yīng)速度、低輸出電壓紋波提高功率因數(shù)變換器是研究人員追求的最終目標(biāo)。第第2章章 APFC的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 2.1升降壓升降壓變變換電路換電路 2.2單端正激變單端正激變換電路換電路 2.3單端反激單端反激變換電路變換電路 2.4推挽式推挽式變換電路變換電路 2.5 半橋半橋和和全橋全橋變化電路變化電路概述APFC機(jī)構(gòu)：兩級(jí)結(jié)構(gòu)和單級(jí)結(jié)構(gòu)兩級(jí)結(jié)構(gòu) 第一級(jí)是PFC，通常采用

23、BOOST電路，其任務(wù)是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流正弦化以及電壓粗調(diào)；第二級(jí)是DC/DC（直接或間接變換），其任務(wù)是對(duì)輸出電壓進(jìn)行細(xì)調(diào)。優(yōu)點(diǎn)：性能好，技術(shù)成熟；缺點(diǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、整機(jī)效率較低和性價(jià)比不高，適用于精密儀器電源等。單級(jí)結(jié)構(gòu) PFC和DC/DC變換合二為一，目的減少元器件、節(jié)約成本，提高效率和簡(jiǎn)化控制。特點(diǎn)：整機(jī)效率高（電腦、電視的電源），性能稍差，所以目前研究主要集中在單級(jí)APFC。兩級(jí)兩級(jí)APFC結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 單級(jí)單級(jí)APFC結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 2.1 BUCK2.1 BUCK（BOOST) APFC BOOST) APFC 變換電路變換電路（一（一） BUCK 變換電路變換電路 帶有帶有APFC的的DC/DC

24、和普通和普通DCDC變換器時(shí)主要有以下兩點(diǎn)不同：變換器時(shí)主要有以下兩點(diǎn)不同： （1）輸入電壓非穩(wěn)定的直流電壓；）輸入電壓非穩(wěn)定的直流電壓； （2）輸出輸入電壓比非定值。）輸出輸入電壓比非定值。 因此構(gòu)成因此構(gòu)成PFC電路的變換器分析比較復(fù)雜。由于變換器中的開(kāi)關(guān)電路的變換器分析比較復(fù)雜。由于變換器中的開(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)高于輸入電壓頻率，因此在以下的分析中，我們采用準(zhǔn)靜頻率遠(yuǎn)高于輸入電壓頻率，因此在以下的分析中，我們采用準(zhǔn)靜態(tài)的方法分析變換器的工作，這種分析方法是建立在小信號(hào)線性態(tài)的方法分析變換器的工作，這種分析方法是建立在小信號(hào)線性化近似基礎(chǔ)上的?；苹A(chǔ)上的。 電路特點(diǎn) 電流斷續(xù)，輸入功率因數(shù)低。B

25、uck PFC變換器的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓較低。在低輸出電壓（3 3V-l. 8V等）兩級(jí)式變換的場(chǎng)合，可“減小后級(jí)變換器的電壓傳輸比。缺點(diǎn)是無(wú)論其工作在DCM或者CCM模式，在輸入電壓過(guò)零附近，由于開(kāi)關(guān)管將關(guān)斷，輸入電流為零，不能取得高功率因數(shù)。并且在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，輸入電流都是斷續(xù)的，輸入端需要較大的LC濾波器消除高頻紋波。（二）（二）BOOST APFC 電路電路 電路特點(diǎn)：有電路特點(diǎn)：有DCM和和CCM兩種工兩種工作方式，電感足夠大時(shí)電網(wǎng)電流連作方式，電感足夠大時(shí)電網(wǎng)電流連續(xù)（常用）。濾波電感串聯(lián)在輸入續(xù)（常用）。濾波電感串聯(lián)在輸入端，輸入電流高頻紋波小。端，輸入電流高頻紋波小。（三）基于（

26、三）基于Cuk、Sepic和和Zeta電路的電路的PFC變換器變換器 前三種基本拓?fù)涫怯秒姼凶鳛閭魉湍芰康脑?，基于Cuk、Sepic和Zeta電路的PFC變換器是用電容作為傳送能量的元件。基于Cuk、Zeta和Sepic的PFC變換器工作原理相似，輸入電流和輸入電壓為同相位的正弦量，功率因數(shù)校正效果較理想，但并不廣為使用，原因是能量轉(zhuǎn)換用電容需要承受極大的紋波電流，這種電容成本高，可靠性也稍差些。2. 2 正激正激APFC變換器變換器圖圖 2-2 正激變換電路正激變換電路正激電路正激電路(Forward) 工作過(guò)程工作過(guò)程 開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)VT開(kāi)通開(kāi)通后，變壓器原邊繞組兩端的電壓為后，變壓器原邊繞組

27、兩端的電壓為上正下負(fù)，與其耦合的副邊繞組兩端的電壓也是上正上正下負(fù)，與其耦合的副邊繞組兩端的電壓也是上正下負(fù)，因此下負(fù)，因此VD處于通態(tài)。處于通態(tài)。 VT關(guān)斷關(guān)斷后，電感后，電感L通過(guò)通過(guò) VD1續(xù)流，續(xù)流，VD關(guān)斷。關(guān)斷。 正激變換就是帶隔離的正激變換就是帶隔離的Buck斬波電路斬波電路2. 2 正激正激APFC變換器變換器圖圖 2-3 帶有磁復(fù)位的正激電路帶有磁復(fù)位的正激電路正激電路的磁復(fù)位正激電路的磁復(fù)位 變壓器線圈電壓或電流回零時(shí)，磁芯中的磁通并不變壓器線圈電壓或電流回零時(shí)，磁芯中的磁通并不為零，稱之為剩磁。剩磁的累加可能導(dǎo)致磁芯飽和，因?yàn)榱悖Q之為剩磁。剩磁的累加可能導(dǎo)致磁芯飽和，因

28、此正激電路需要磁復(fù)位技術(shù)。此正激電路需要磁復(fù)位技術(shù)。2. 2 正激正激APFC變換器變換器圖圖 2-4 正激變換電路工作波形正激變換電路工作波形 SuVT iLiSOttttUiOOO圖圖 2-5 正激變換電路工作波形正激變換電路工作波形 2. 2 正激正激APFC變換器變換器 變壓器的磁心復(fù)位所需的時(shí)間為變壓器的磁心復(fù)位所需的時(shí)間為,on13rsttNNt輸出電壓輸出電壓 輸出濾波電感電流連續(xù)時(shí)輸出濾波電感電流連續(xù)時(shí) TtNNUUon12ioi31vtUNNU磁復(fù)位期間，開(kāi)關(guān)管兩端電壓為磁復(fù)位期間，開(kāi)關(guān)管兩端電壓為 變壓器的磁心復(fù)位所需的時(shí)間推導(dǎo)：變壓器的磁心復(fù)位所需的時(shí)間推導(dǎo)：利用開(kāi)關(guān)管導(dǎo)

29、通期間變壓器原邊磁通的增加量等于關(guān)斷期利用開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間變壓器原邊磁通的增加量等于關(guān)斷期間磁通的減少量。間磁通的減少量。 on1itNU rst3itNU 導(dǎo)通期間導(dǎo)通期間 關(guān)斷期間關(guān)斷期間2. 2 正激正激APFC變換器變換器 輸出電壓推導(dǎo)：輸出電壓推導(dǎo)：利用開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間電感儲(chǔ)存的能量等于關(guān)斷期間電感釋利用開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間電感儲(chǔ)存的能量等于關(guān)斷期間電感釋放的能量。放的能量。 on0i12tLUUNNiL 導(dǎo)通期間導(dǎo)通期間 關(guān)斷期間關(guān)斷期間 off0tLUiL2. 2 正激正激APFC變換器變換器正激電路的缺點(diǎn)正激電路的缺點(diǎn)正激變換器因?yàn)閺?fù)位繞組的存在使變壓器體積正激變換器因?yàn)閺?fù)位繞組的存在使

30、變壓器體積增加增加。正激變換器的占空比不能太大（小于正激變換器的占空比不能太大（小于50%），），會(huì)引起磁芯飽和以及關(guān)斷期間不能完成磁復(fù)位。會(huì)引起磁芯飽和以及關(guān)斷期間不能完成磁復(fù)位。（通過(guò)減少?gòu)?fù)位繞組匝數(shù)解決，但會(huì)增加關(guān)斷期（通過(guò)減少?gòu)?fù)位繞組匝數(shù)解決，但會(huì)增加關(guān)斷期間開(kāi)關(guān)管兩端的電壓）。間開(kāi)關(guān)管兩端的電壓）。單管正激電路很少采用單管正激電路很少采用2. 2 正激正激APFC變換器變換器圖圖 2-6 雙管雙管 正激變換電路正激變換電路2. 2 正激正激APFC變換器變換器2. 2 正激正激APFC變換器變換器雙管正激電路的特點(diǎn)雙管正激電路的特點(diǎn)取消復(fù)位繞組，降低了變壓器的體積和工藝要求。取消復(fù)位

31、繞組，降低了變壓器的體積和工藝要求。開(kāi)關(guān)管承受的電壓降低（開(kāi)關(guān)管承受的電壓降低（ 電源電壓和二極管的電源電壓和二極管的管壓降）。管壓降）。雙管正激電路可靠性高（不存在直通問(wèn)題），結(jié)雙管正激電路可靠性高（不存在直通問(wèn)題），結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在中小功率開(kāi)關(guān)電源中應(yīng)用比較普遍。構(gòu)簡(jiǎn)單，在中小功率開(kāi)關(guān)電源中應(yīng)用比較普遍。工作原理工作原理Flyback電路是最簡(jiǎn)單的單級(jí)電路是最簡(jiǎn)單的單級(jí)PFC電路，長(zhǎng)期以來(lái)是非常流電路，長(zhǎng)期以來(lái)是非常流行的一種電路拓?fù)?。變壓器既是一種儲(chǔ)能裝置，又起到隔離行的一種電路拓?fù)洹Ｗ儔浩骷仁且环N儲(chǔ)能裝置，又起到隔離變換的作用。對(duì)輸入電路而言，變換的作用。對(duì)輸入電路而言，DC/DC變換器可

32、等效為一個(gè)變換器可等效為一個(gè)受占空比控制的無(wú)損電阻，可使輸入功率因數(shù)近似為受占空比控制的無(wú)損電阻，可使輸入功率因數(shù)近似為1。Flyback電路因工作在電路因工作在DCM狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)管的電流應(yīng)力很大，狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)管的電流應(yīng)力很大，同時(shí)由于以低于輸入交流頻率的頻率進(jìn)行同時(shí)由于以低于輸入交流頻率的頻率進(jìn)行PWM控制，輸出控制，輸出電壓中含有很高的低頻紋渡，除了特殊用途一般不單獨(dú)使用。電壓中含有很高的低頻紋渡，除了特殊用途一般不單獨(dú)使用。2.3 反激（反激（Flyback）APFC變換器變換器2.3單端反激變換器單端反激變換器依據(jù)變壓器二次側(cè)能量在截止期間是否完全傳送出去，反激電路的工作狀態(tài)分為兩種：

33、 電流連續(xù)電流連續(xù) on1itNU 導(dǎo)通期間導(dǎo)通期間 截止期間截止期間 off20tNU 由磁通平衡原理得：由磁通平衡原理得：offon12iottNNUU2.3單端反激變換器單端反激變換器 電流斷續(xù)電流斷續(xù) 此時(shí)先求出電流斷續(xù)發(fā)生時(shí)刻此時(shí)先求出電流斷續(xù)發(fā)生時(shí)刻onZTTNUtNU20on1iZT 求得求得oniZTUNNUNUT01102 輸入電源在一個(gè)周期內(nèi)提供的平均功率為：輸入電源在一個(gè)周期內(nèi)提供的平均功率為：001221021IUfLDUtLUUTPiiTiAVGonfILDUUi012202 注意：反激電路不能開(kāi)路，此時(shí)注意：反激電路不能開(kāi)路，此時(shí)Uo 反激電路特點(diǎn)：反激電路特點(diǎn)：電

34、路簡(jiǎn)單。沒(méi)有續(xù)流二極管和濾波儲(chǔ)能電感，不需要復(fù)電路簡(jiǎn)單。沒(méi)有續(xù)流二極管和濾波儲(chǔ)能電感，不需要復(fù)位繞組（開(kāi)關(guān)管關(guān)斷期間，二次側(cè)繞組完成能量傳遞，位繞組（開(kāi)關(guān)管關(guān)斷期間，二次側(cè)繞組完成能量傳遞，同時(shí)完成磁復(fù)位）同時(shí)完成磁復(fù)位） 輸出電壓紋波大。輸出電壓紋波大。(可以增大濾波電容，但會(huì)增加成本和可以增大濾波電容，但會(huì)增加成本和體積）體積） 主要用于主要用于100W左右的小功率電源，且對(duì)電源性能指標(biāo)左右的小功率電源，且對(duì)電源性能指標(biāo)要求不太嚴(yán)格的場(chǎng)合要求不太嚴(yán)格的場(chǎng)合。2.3單端反激變換器單端反激變換器反激變換器設(shè)計(jì)存在的困難反激變換器設(shè)計(jì)存在的困難 當(dāng)反激電路工作于電流連續(xù)時(shí)，直流分量相當(dāng)大，處理當(dāng)

35、反激電路工作于電流連續(xù)時(shí)，直流分量相當(dāng)大，處理不當(dāng)會(huì)造成磁芯飽和，功率管損壞。不當(dāng)會(huì)造成磁芯飽和，功率管損壞。 為避免飽和，變壓器磁芯應(yīng)增加氣隙。氣隙的調(diào)整是一為避免飽和，變壓器磁芯應(yīng)增加氣隙。氣隙的調(diào)整是一件麻煩的工作。因?yàn)闅庀对黾訒?huì)使漏感增加，而且自感件麻煩的工作。因?yàn)闅庀对黾訒?huì)使漏感增加，而且自感減少（會(huì)影響到輸出電壓以及單位時(shí)間能量的傳輸減少（會(huì)影響到輸出電壓以及單位時(shí)間能量的傳輸),因此，因此，必須加以綜合考慮。必須加以綜合考慮。 為防止開(kāi)關(guān)管承受電壓過(guò)大，占空比為防止開(kāi)關(guān)管承受電壓過(guò)大，占空比D不能太大，一般不能太大，一般為為0.30.4。占空比的減小，會(huì)影響到輸出電壓減小。參。占

36、空比的減小，會(huì)影響到輸出電壓減小。參數(shù)之間關(guān)系相互牽制，需要綜合考慮。而正激電路與占數(shù)之間關(guān)系相互牽制，需要綜合考慮。而正激電路與占空比無(wú)關(guān)?？毡葻o(wú)關(guān)。2.3單端反激變換器單端反激變換器2.4 基于Flyback的全橋PFC變換器變換器 PFC技術(shù)發(fā)展到今天已經(jīng)逐漸融入到了許多優(yōu)秀的變換器電路中。技術(shù)發(fā)展到今天已經(jīng)逐漸融入到了許多優(yōu)秀的變換器電路中。這些新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以很好地抑制變換器輸入諧波，整定輸人電流這些新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以很好地抑制變換器輸入諧波，整定輸人電流波形，同時(shí)又具有極好的輸出特性，充分發(fā)揮波形，同時(shí)又具有極好的輸出特性，充分發(fā)揮PFC電路和功率變換電路和功率變換電路的優(yōu)勢(shì)。電路的

37、優(yōu)勢(shì)。 Boost電路作為電路作為PFC的優(yōu)秀拓?fù)洌c全橋、推挽、半橋等拓?fù)涞膬?yōu)秀拓?fù)?，它與全橋、推挽、半橋等拓?fù)涞慕Y(jié)合可以獲得性能良好的新型單級(jí)的結(jié)合可以獲得性能良好的新型單級(jí)PFC變換器拓?fù)洹D變換器拓?fù)?。圖2-5所示所示電路為電路為Boost電路與全橋變換器合成的單級(jí)電路與全橋變換器合成的單級(jí)PFC電路。該電路可以電路。該電路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電流波形的整定，同時(shí)又可以應(yīng)用于較大功率場(chǎng)臺(tái)，發(fā)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電流波形的整定，同時(shí)又可以應(yīng)用于較大功率場(chǎng)臺(tái)，發(fā)揮了全橋電路的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，揮了全橋電路的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，PFC電路還可以與其他電路結(jié)合，也電路還可以與其他電路結(jié)合，也能達(dá)到很好的效果能達(dá)到很好的效

38、果 工作原理：工作原理：當(dāng)當(dāng)VT1、VT2同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，相當(dāng)于同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，相當(dāng)于Boost PFC電路的開(kāi)關(guān)電路的開(kāi)關(guān)S導(dǎo)通，電感導(dǎo)通，電感L充電；當(dāng)充電；當(dāng)VT1、VT4或或VT2、VT3同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，相當(dāng)于同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，相當(dāng)于Boost PFC電路的開(kāi)關(guān)電路的開(kāi)關(guān)S關(guān)斷，輸入電壓和電感同時(shí)向負(fù)載供電。所以，變關(guān)斷，輸入電壓和電感同時(shí)向負(fù)載供電。所以，變換器在工作原理上可以等效成基本的換器在工作原理上可以等效成基本的Boost PFC電路。電路。倍流整流和同步整流（補(bǔ)充）用倍流電路代替全橋整流或變壓器副邊的中心抽頭電路，以減少導(dǎo)通損耗（低壓場(chǎng)合）以及變壓器工藝復(fù)雜性（2）輸出端整流一般用肖特基二極

39、管（3）在低壓輸出場(chǎng)合（2V或更低）輸出端整流用小功率低壓MOS管代替肖特基二極管，因?yàn)樾」β蔒OS管的壓降更低，可以提高效率。（4）這種電路稱做同步整流，而同步整流技術(shù)也成為低壓大電流高頻整流技術(shù)中不可或缺的部分圖圖 2-8 倍頻整流電路倍頻整流電路圖圖 2-8 同步整流電路同步整流電路2.4 推挽變換器推挽變換器與雙管正激電路區(qū)別（從電路結(jié)構(gòu)和兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的與雙管正激電路區(qū)別（從電路結(jié)構(gòu)和兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)區(qū)分）驅(qū)動(dòng)信號(hào)區(qū)分）變壓器磁芯工作在一三象限，即雙向磁化。變壓器磁芯工作在一三象限，即雙向磁化。工作原理工作原理 重新定義占空比重新定義占空比 在半個(gè)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)在半個(gè)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通

40、，通， 關(guān)斷一次關(guān)斷一次 。 分析分析VT1導(dǎo)通時(shí)，變壓器副邊二極管導(dǎo)通時(shí)，變壓器副邊二極管VD3導(dǎo)通，把導(dǎo)通，把一次側(cè)能量傳遞給負(fù)載。一次側(cè)能量傳遞給負(fù)載。 VT1截止后，變壓器經(jīng)二截止后，變壓器經(jīng)二極管極管VD2復(fù)位，將復(fù)位，將VT1導(dǎo)通期間的勵(lì)磁能量返回電導(dǎo)通期間的勵(lì)磁能量返回電源。此時(shí)變壓器副邊兩個(gè)二極管（變壓器漏感的原源。此時(shí)變壓器副邊兩個(gè)二極管（變壓器漏感的原因）都導(dǎo)通，把變壓器一、二次側(cè)電壓鉗位為零。因）都導(dǎo)通，把變壓器一、二次側(cè)電壓鉗位為零。 2TtDon2.3 推挽變換器推挽變換器圖圖 2-8 推挽式變換電路推挽式變換電路2.3 推挽變換器推挽變換器S1S2uS 1uS 2i

41、S 1iS 2iD 1iS 2tonTtttttttt2 Ui2 UiiLiLOOOOOOOO圖圖 2-9 推挽電路的理想化波形推挽電路的理想化波形 on10i12tLUUNNiL 輸出電壓推導(dǎo)：輸出電壓推導(dǎo)：利用開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間電感儲(chǔ)存的能量等于關(guān)斷期間電感釋利用開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間電感儲(chǔ)存的能量等于關(guān)斷期間電感釋放的能量。放的能量。 導(dǎo)通期間導(dǎo)通期間 關(guān)斷期間關(guān)斷期間 on10off10-2tTLUtLUisL2.3 推挽變換器推挽變換器2.3 推挽變換器推挽變換器 當(dāng)輸出電感電流連續(xù)時(shí)當(dāng)輸出電感電流連續(xù)時(shí) 當(dāng)輸出電感電流不連續(xù)時(shí)當(dāng)輸出電感電流不連續(xù)時(shí)，輸出電壓輸出電壓Uo將連續(xù)時(shí)的計(jì)算值，將連續(xù)

42、時(shí)的計(jì)算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下 其它關(guān)系式其它關(guān)系式（1）開(kāi)關(guān)管）開(kāi)關(guān)管VT1(VT2)截止時(shí)承受的電壓為截止時(shí)承受的電壓為2Ui。為為(適用于低輸入適用于低輸入電壓場(chǎng)合）電壓場(chǎng)合）（2）整流管承受的電壓為）整流管承受的電壓為（3）與開(kāi)關(guān)管并聯(lián)的二極管承受的電壓為）與開(kāi)關(guān)管并聯(lián)的二極管承受的電壓為2Ui2on12ioTtNNUU12i2NNUUNNUoi212.3 推挽變換器推挽變換器推挽式的優(yōu)點(diǎn)：推挽式的優(yōu)點(diǎn)： 電壓利用率高。電壓利用率高。開(kāi)關(guān)和交替工作，其輸出電壓波形非常開(kāi)關(guān)和交替工作，其輸出電壓波形非常對(duì)稱，并且開(kāi)關(guān)電源在

43、整個(gè)工作周期之內(nèi)都向負(fù)載提供對(duì)稱，并且開(kāi)關(guān)電源在整個(gè)工作周期之內(nèi)都向負(fù)載提供功率輸出，因此，其輸出電流瞬間響應(yīng)速度很高，電壓功率輸出，因此，其輸出電流瞬間響應(yīng)速度很高，電壓輸出特性很好。推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源是所有開(kāi)關(guān)電源輸出特性很好。推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源是所有開(kāi)關(guān)電源中電壓利用率最高的開(kāi)關(guān)電源，它在輸入電壓很低的情中電壓利用率最高的開(kāi)關(guān)電源，它在輸入電壓很低的情況下，仍能維持很大的功率輸出，所以推挽式變壓器開(kāi)況下，仍能維持很大的功率輸出，所以推挽式變壓器開(kāi)關(guān)電源被廣泛應(yīng)用于低輸入電壓的電路中。關(guān)電源被廣泛應(yīng)用于低輸入電壓的電路中。 推挽式開(kāi)關(guān)電源的兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件有一個(gè)公共接地端，相推挽式開(kāi)關(guān)電源

44、的兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件有一個(gè)公共接地端，相對(duì)于半橋式或全橋式開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)電路要簡(jiǎn)單很對(duì)于半橋式或全橋式開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)電路要簡(jiǎn)單很多，這也是推挽式開(kāi)關(guān)電源的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)多，這也是推挽式開(kāi)關(guān)電源的一個(gè)優(yōu)點(diǎn) 。2.3 推挽變換器推挽變換器 雙極性磁化使得變壓器，磁感應(yīng)變化范圍比單極性大，雙極性磁化使得變壓器，磁感應(yīng)變化范圍比單極性大，變壓器鐵心不需要?dú)庀叮黾恿穗娫吹男首儔浩麒F心不需要?dú)庀?，增加了電源的效率缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：開(kāi)關(guān)器件需要很高的耐壓，輸入電壓兩倍。開(kāi)關(guān)器件需要很高的耐壓，輸入電壓兩倍。變壓器有兩組初級(jí)線圈，對(duì)于小功率輸出的推挽式開(kāi)關(guān)變壓器有兩組初級(jí)線圈，對(duì)于小功率輸出的推挽式開(kāi)關(guān)電源是個(gè)缺點(diǎn)

45、，對(duì)于大功率輸出的推挽式開(kāi)關(guān)電源是個(gè)電源是個(gè)缺點(diǎn)，對(duì)于大功率輸出的推挽式開(kāi)關(guān)電源是個(gè)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 。2.4 半橋電路半橋電路圖圖 2-10 半橋電路原理圖半橋電路原理圖圖圖 2-11 半橋電路的理想化波形半橋電路的理想化波形2.4 半橋電路半橋電路2.4 半橋電路半橋電路工作過(guò)程工作過(guò)程 VT1導(dǎo)通時(shí)二極管，導(dǎo)通時(shí)二極管，VD3處于通態(tài)，處于通態(tài)， VD4截止，截止，電感儲(chǔ)能，電流增加。電感儲(chǔ)能，電流增加。 VT1截止后，兩個(gè)開(kāi)關(guān)都關(guān)斷時(shí)，一次側(cè)電流截止后，兩個(gè)開(kāi)關(guān)都關(guān)斷時(shí)，一次側(cè)電流VT2經(jīng)并聯(lián)的二極管經(jīng)并聯(lián)的二極管VD2續(xù)流續(xù)流 ，由于，由于VD2 的導(dǎo)通，的導(dǎo)通，一次一次側(cè)電壓變?yōu)樨?fù)值側(cè)電壓

46、變?yōu)樨?fù)值，二極管，二極管VD4導(dǎo)通，導(dǎo)通， VD3繼續(xù)導(dǎo)通（變繼續(xù)導(dǎo)通（變壓器漏感壓器漏感) ，VD3和和VD4都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的負(fù)都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的負(fù)載電流，變壓器繞組中的電流為零。載電流，變壓器繞組中的電流為零。 后半個(gè)周期的工作過(guò)程與之前相似，只是一次后半個(gè)周期的工作過(guò)程與之前相似，只是一次電壓、電流反向，二次側(cè)電壓也反向。其數(shù)值關(guān)系不電壓、電流反向，二次側(cè)電壓也反向。其數(shù)值關(guān)系不變。變。 2.4 半橋電路半橋電路輸出電壓輸出電壓 濾波電感濾波電感L的電流連續(xù)時(shí)，利用半個(gè)周期內(nèi)電感電流的的電流連續(xù)時(shí)，利用半個(gè)周期內(nèi)電感電流的增加量與其減少量相等，得增加量與其減少量相等，得 T

47、tNNUUon12io輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓Uo將高計(jì)算值，并將高計(jì)算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下2i12oUNNU其它關(guān)系式其它關(guān)系式（1）開(kāi)關(guān)管）開(kāi)關(guān)管VT1(VT2)截止時(shí)承受的電壓為截止時(shí)承受的電壓為Ui。為。為(適用于高適用于高輸入電壓場(chǎng)合）輸入電壓場(chǎng)合）（2）整流管承受的電壓為）整流管承受的電壓為（3）與開(kāi)關(guān)管并聯(lián)的二極管承受的電壓為）與開(kāi)關(guān)管并聯(lián)的二極管承受的電壓為Ui12iNNU2.4 半橋電路半橋電路半橋電路的偏磁現(xiàn)象及解決半橋電路的偏磁現(xiàn)象及解決 半橋電路由于兩個(gè)開(kāi)關(guān)工作特性不同而導(dǎo)

48、致導(dǎo)通時(shí)間半橋電路由于兩個(gè)開(kāi)關(guān)工作特性不同而導(dǎo)致導(dǎo)通時(shí)間不對(duì)稱，從而造成的變壓器一次側(cè)電壓出現(xiàn)直流分量。不對(duì)稱，從而造成的變壓器一次側(cè)電壓出現(xiàn)直流分量。這種現(xiàn)象稱為直流偏磁。直流諞磁容易造成變壓器飽和。這種現(xiàn)象稱為直流偏磁。直流諞磁容易造成變壓器飽和。 通常通過(guò)在一次側(cè)串聯(lián)耦合電容解決。由于通常通過(guò)在一次側(cè)串聯(lián)耦合電容解決。由于電容電容的的隔隔直作用直作用，半橋電路對(duì)由于兩個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間不對(duì)稱而造，半橋電路對(duì)由于兩個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間不對(duì)稱而造成的變壓器一次側(cè)電壓的直流分量有自動(dòng)平衡作用。成的變壓器一次側(cè)電壓的直流分量有自動(dòng)平衡作用。 注意電容選等效電阻小的，否則分壓太大。因此耦合注意電容選等效電阻

49、小的，否則分壓太大。因此耦合電容容量不能太大，通常選用無(wú)極性的薄膜電容。電容容量不能太大，通常選用無(wú)極性的薄膜電容。2.5 全橋電路全橋電路圖圖 2-12 全橋電路原理圖全橋電路原理圖 2.5 全橋電路全橋電路S1S2uS 1uS 2iS 1iS 2iD 1iS 2tonTtttttttt2 Ui2 UiiLiLOOOOOOOO圖圖 2-13 全橋電路的理想化波形全橋電路的理想化波形2.5 全橋電路全橋電路全橋電路全橋電路 工作過(guò)程工作過(guò)程 全橋電路中，全橋電路中，互為對(duì)角的兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通互為對(duì)角的兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，同一側(cè)，同一側(cè)半橋上下兩開(kāi)關(guān)半橋上下兩開(kāi)關(guān)交替交替導(dǎo)通，使變壓器一次側(cè)形成幅

50、值為導(dǎo)通，使變壓器一次側(cè)形成幅值為Ui的交流電壓，改變占空比就可以改變輸出電壓。的交流電壓，改變占空比就可以改變輸出電壓。 當(dāng)當(dāng)VT1與與VT4開(kāi)通后，開(kāi)通后，VD5處于通態(tài)，電感處于通態(tài)，電感L的電流逐的電流逐漸上升。漸上升。 當(dāng)當(dāng)VT2與與VT3開(kāi)通后，開(kāi)通后，VD6處于通態(tài)，電感處于通態(tài)，電感L的電流也的電流也上升。上升。 當(dāng)當(dāng)4個(gè)開(kāi)關(guān)都關(guān)斷時(shí)，個(gè)開(kāi)關(guān)都關(guān)斷時(shí)， VD5 、VD6都處于通態(tài)，各分都處于通態(tài)，各分擔(dān)一半的電感電流，電感擔(dān)一半的電感電流，電感L的電流逐漸下降。的電流逐漸下降。2.5 全橋電路全橋電路輸出電壓輸出電壓 濾波電感電流連續(xù)時(shí)濾波電感電流連續(xù)時(shí) TtNNUUon12i

51、o2 輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓輸出電感電流不連續(xù)，輸出電壓Uo將高于計(jì)算值，并將高于計(jì)算值，并隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下隨負(fù)載減小而升高，在負(fù)載為零的極限情況下 UNNUoi212.5 全橋電路全橋電路 如果如果VT1、VT4與與VT2、VT3的導(dǎo)通時(shí)間不對(duì)稱，則交的導(dǎo)通時(shí)間不對(duì)稱，則交流電壓流電壓uT中將含有中將含有直流分量直流分量，會(huì)在變壓器一次側(cè)產(chǎn)生很大，會(huì)在變壓器一次側(cè)產(chǎn)生很大的直流分量，造成磁路飽和，因此全橋電路應(yīng)注意避免電的直流分量，造成磁路飽和，因此全橋電路應(yīng)注意避免電壓直流分量的產(chǎn)生，也可在一次側(cè)回路串聯(lián)一個(gè)電容，以壓直流分量的產(chǎn)生，也可在一次側(cè)回路串聯(lián)一個(gè)電

52、容，以阻斷直流電流。阻斷直流電流。 為避免同一側(cè)半橋中上下兩開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，每個(gè)開(kāi)關(guān)為避免同一側(cè)半橋中上下兩開(kāi)關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，每個(gè)開(kāi)關(guān)的占空比不能超過(guò)的占空比不能超過(guò)50%，還應(yīng)留有裕量。，還應(yīng)留有裕量。 電路電路優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn)功率范圍功率范圍應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域正激正激電路較簡(jiǎn)單，成本低，可靠性高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單變壓器單向激磁，利用率低幾百W幾kW各種中、小功率電源反激反激電路非常簡(jiǎn)單，成本很低，可靠性高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單難以達(dá)到較大的功率，變壓器單向激磁，利用率低幾W幾十W小功率電子設(shè)備、計(jì)算機(jī)設(shè)備、消費(fèi)電子設(shè)備電源。全橋全橋變壓器雙向勵(lì)磁，容易達(dá)到大功率結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，有直通問(wèn)題，可靠性低，需要復(fù)雜

53、的多組隔離驅(qū)動(dòng)電路幾百W幾百kW大功率工業(yè)用電源、焊接電源、電解電源等半橋半橋變壓器雙向勵(lì)磁，沒(méi)有變壓器偏磁問(wèn)題，開(kāi)關(guān)較少，成本低有直通問(wèn)題，可靠性低，需要復(fù)雜的隔離驅(qū)動(dòng)電路幾百W幾kW各種工業(yè)用電源，計(jì)算機(jī)電源等推挽推挽變壓器雙向勵(lì)磁，變壓器一次側(cè)電流回路中只有一個(gè)開(kāi)關(guān)，通態(tài)損耗較小，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單有偏磁問(wèn)題幾百W幾kW低輸入電壓的電源表表 2-1 各種不同的間接直流變流電路的比較各種不同的間接直流變流電路的比較 隨著PFC的應(yīng)用普及，APFC電路拓?fù)淙諠u成熟。但關(guān)于APFC的控制策略的研究目前仍然十分活躍，這從側(cè)面反映出該領(lǐng)域還有許多問(wèn)題尚待解決。APFC技術(shù)的每一種控制策略都有其各自的優(yōu)勢(shì)和不

54、足，本章介紹幾種常用的APFC控制策略，對(duì)比分析各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用場(chǎng)合，并指出APFC控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。 前文提到，根據(jù)功率因數(shù)校正用電感電流是否連續(xù)，APFC可分為電流連續(xù)模式( CCM)和電流斷續(xù)模式(DCM)。以及介于兩者之間的電流臨界模式(BCM)。有的電路還根據(jù)負(fù)載功率的大小，使得變換器在DCM和CCM之間互相轉(zhuǎn)換，稱為混聯(lián)模式( MCM)。當(dāng)變換器工作在不同的導(dǎo)通模式時(shí)，其功率因數(shù)校正的控制方法完全不同。第第3 3章章APFC控制策略控制策略4.1 CCM4.1 CCM控制策略控制策略CCM模式下的電流控制是目前應(yīng)用最多的控制方式。CCM模式下有直接電流控制和間接電流控制兩種方式

55、。直接電流控制是直接選取瞬態(tài)電感電流作為反饋量和控制量，其優(yōu)點(diǎn)是電流的瞬態(tài)特性好，自身具有過(guò)電流保護(hù)能力，但是需要檢測(cè)瞬態(tài)電流，控制電踣稍顯復(fù)雜；間接電流控制是通過(guò)控制整流橋輸入端電壓來(lái)間接實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的控制，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，開(kāi)關(guān)機(jī)理清晰。在CCM模式下，直接電流控制是應(yīng)用最多的方式，它也是發(fā)展的主流，適用于對(duì)系統(tǒng)性能要求較高的大功率場(chǎng)合。（一）峰值電流控制（一）峰值電流控制峰值電流控制屬于定頻控制。每一開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始時(shí)MOS管導(dǎo)通，電感電流線性增加，然后將電感電流 的檢測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)相比，當(dāng)電感電流檢測(cè)值等于電感電流參考值時(shí)，MOS管關(guān)斷，電感電流減少，當(dāng)電感電流降為零時(shí)，MOS管再導(dǎo)通，如

56、此周而復(fù)始。電感電流的參考信號(hào)由系統(tǒng)輸出電壓檢測(cè)值與給定值相減，再經(jīng)由PI調(diào)節(jié)器，然后將PI調(diào)節(jié)器的輸出與整流橋后端的boost電路輸入電壓波形相乘得到。由于電感電流參考信號(hào)由電壓反饋環(huán)決定，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定工作時(shí)電感電流的包絡(luò)基本為正弦波。峰值電流控制的斜坡補(bǔ)償峰值電流控制的斜坡補(bǔ)償（1）在 電源 電 壓 過(guò)零 附近加在 電感 兩 端 的電壓 很小 , 需要 較長(zhǎng)的開(kāi)通 時(shí) 間 , 才能 達(dá) 到 電流基 準(zhǔn) , 而又 由于定 頻時(shí)鐘周期 的 限制 , 從 而使 電感 電流 在 開(kāi) 關(guān) 周 期 內(nèi)不可能 達(dá)到 電 流基 準(zhǔn) 。 在 這 些開(kāi)關(guān) 周 期 內(nèi) , 電流工作在 不連 續(xù)模式 ( D C M

57、 ) 。（2）斜坡補(bǔ)償相當(dāng)于在電感電流中加入一個(gè)斜波信號(hào)，亦或在參考信號(hào)減去一個(gè)斜波信號(hào)，從而來(lái)增加導(dǎo)通時(shí)間，使其電流達(dá)到基準(zhǔn)值。（3）斜坡補(bǔ)償要得當(dāng)，同時(shí)也會(huì)帶來(lái)失真、功率因數(shù)下降等問(wèn)題只有一個(gè)電壓環(huán)，輸入電流的峰值包絡(luò)線跟蹤輸入電壓波形。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)（芯片L6561/6562，ML4812，4819等）缺點(diǎn)：（1）占空比受輸出電壓和電感電流共同作用，超過(guò)50% 容易不穩(wěn)定 （2） 當(dāng)交流電網(wǎng)電壓從零上升到峰值電壓時(shí)，占空比也由 最大值變至最小值，因此有可能產(chǎn)生高次諧渡振蕩。為克 服這 一缺點(diǎn)，必須在比較器的輸人端增加一個(gè)斜率補(bǔ)償（ 或稱斜坡補(bǔ)償）函數(shù)，以便在占空比廣泛變化內(nèi)，電路能

58、穩(wěn)定工作。 （3）電流峰值和平均值之間存在誤差，有些條件下還很大 ，以至于無(wú)法滿足THD很小的要求 （4）電感電流的峰值對(duì)噪聲變化相當(dāng)敏感?？偨Y(jié)：這種方法在總結(jié)：這種方法在APFC控制中逐漸被淘汰。控制中逐漸被淘汰。（二）平均電流控制（二）平均電流控制 平均電流控制中的電流環(huán)有較高的增益帶寬，它使跟蹤 誤差產(chǎn)生的畸變很小，容易實(shí)現(xiàn)接近于1的功率因數(shù)。同時(shí)對(duì)噪聲不敏感、穩(wěn)定性高，因而得到了廣泛的應(yīng)用。以平均電流控制原理設(shè)計(jì)的PFC集成控制器常用的有UC3854，在單相Boost型電路得到了普遍應(yīng)用。其他平均電流型控制IC有TDA4819，C33368、ML4821等( (三三）滯滯環(huán)環(huán)控控制制滯

59、環(huán)控制特點(diǎn)： (1)控制簡(jiǎn)單、電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、具有內(nèi)在的電流限制能力； (2)開(kāi)關(guān)頻率在一個(gè)工頻周期中不恒定，引起EMI的問(wèn)題和電流過(guò)零點(diǎn)的死區(qū)。 (3)負(fù)載對(duì)開(kāi)關(guān)頻率影響很大，濾波器只能接最低頻率設(shè)計(jì)，因此不可能得到體積和重量最小的設(shè)計(jì)； (4)滯環(huán)寬度對(duì)開(kāi)美頻率和系統(tǒng)性能影響大，需合理選取?？刂艻C有CS3810等 DCM控制的方法又稱為電壓跟蹤法，是APFC控制中一種簡(jiǎn)單而又實(shí)用的方法，應(yīng)用較為廣泛。升壓變換器的電壓“跟隨”特性在每 一開(kāi)關(guān)周期內(nèi),流過(guò)電感的平均電流 穩(wěn)態(tài)時(shí)，D和T不變，電感電流平均值和輸入電壓成正比，輸入電流平均值能夠自動(dòng)“跟蹤”輸入電壓呈正弦波，因此不再需要輸入電流控

60、制環(huán)。（一）基于3842的恒頻控制此控制方式的主要優(yōu)點(diǎn)是控制此控制方式的主要優(yōu)點(diǎn)是控制電路簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是輸入功率因電路簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是輸入功率因數(shù)的理想值不能達(dá)到數(shù)的理想值不能達(dá)到1，輸出，輸出電壓與輸入電壓峰值的比值越電壓與輸入電壓峰值的比值越大，輸入電流畸變程度越小。大，輸入電流畸變程度越小。該控制方式下的電流該控制方式下的電流THD可可控制在控制在10%以內(nèi)。以內(nèi)。（一）基于3852的變頻控制與電流連續(xù)（CCM）的不同之處在于把乘法器換成加法器（因?yàn)殡娏鲾嗬m(xù)，不用乘法器）功率管可實(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)通，同時(shí)不需要連續(xù)導(dǎo)通模式那樣復(fù)雜的控制回路，使用通常的PWM控制就可實(shí)現(xiàn)。由于不連續(xù)導(dǎo)通模式的控制電路