功率因數(shù)校正（PFC）電路工作原理

功率因數(shù)校正（PFC）電路工作原理功率因數(shù)校正(PFC)電路工作原理作者:佚名文章來源:本站原創(chuàng)點(diǎn)擊數(shù):943更新時(shí)間:2010-2-209:15:00|【字體:小大】功率因數(shù)校正(英文縮寫是PFC)是目前比較流行的一個(gè)專業(yè)術(shù)語。PFC是在20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，其背景源于離線開關(guān)電源的迅速發(fā)展和熒光燈交流電子鎮(zhèn)流器的廣泛應(yīng)用。PFC電路的作用不僅是提高線路或系統(tǒng)的功率因數(shù);更重要的是可以解決電磁干擾(EMI)和電磁兼容(EMC)問題。線路功率因數(shù)降低的原因及危害:導(dǎo)致功率因數(shù)降低的原因有兩個(gè)，一個(gè)是線路電壓與電流之間的相位角ψ，另一個(gè)是電流或電壓的波形失真。前一個(gè)原因人們是比較熟悉的。而后者在電工學(xué)等書籍中卻從未涉及。功率因數(shù)(PF)定義為有功功率(P)與視在功率(S)之比值，即PF=P/S。對(duì)于線路電壓和電流均為正弦波波形并且二者相位角為ψ時(shí)，功率因數(shù)PF即為cosψ。由于很多家用電器(如排風(fēng)扇、抽油煙機(jī)等)和電氣設(shè)備是既有電抗的阻抗負(fù)載，所以才會(huì)存在著電壓與電流之間的相位角ψ。這類電感性負(fù)載的功率因數(shù)都較低(一般為0.5~0.6)，說明交流(AC)電壓設(shè)備的額定容量不能充分利用，輸出大量的無功功率，致使輸電效率降低。為提高負(fù)載功率因數(shù)，往往采取補(bǔ)償措施。最簡單的方法是在電感性負(fù)載兩端并聯(lián)電容器，這種方法稱為并聯(lián)補(bǔ)償。PFC方案完全不同于傳統(tǒng)的'功率因數(shù)補(bǔ)償'，它是針對(duì)非正弦電流波形而采取的提高線路功率因數(shù)、迫使AC線路電流追蹤電壓波形的瞬時(shí)變化軌跡，并使電流與電壓保持同相位，使系統(tǒng)呈純電阻性的技術(shù)措施。長期以來，像開關(guān)型電源和電子鎮(zhèn)流器等產(chǎn)品，都是采用橋式整流和大容量電容濾波電路實(shí)現(xiàn)AC-DC轉(zhuǎn)換的。由于濾波電容的充、放電作用，在其兩端的直流電壓出現(xiàn)略呈鋸齒波的紋波。濾波電容上電壓的最小值遠(yuǎn)非為零，與其最大值(紋波峰值)相差并不多。根據(jù)橋式整流二極管的單向?qū)щ娦裕挥性贏C線路電壓瞬時(shí)值高于濾波電容上的電壓時(shí)，整流二極管才會(huì)因正向偏置而導(dǎo)通，而當(dāng)AC輸入電壓瞬時(shí)值低于濾波電容上的電壓時(shí)，整流二極管因反向偏置而截止。也就是說，在AC線路電壓的每個(gè)半周期內(nèi)，只是在其峰值附近，二極管才會(huì)導(dǎo)通(導(dǎo)通角約為70?)。雖然AC輸入電壓仍大體保持正弦波波形，但AC輸入電流卻呈高幅值的尖峰脈沖，如圖1所示。這種嚴(yán)重失真的電流波形含有大量的諧波成份，引起線路功率因數(shù)嚴(yán)重下降。若AC輸入電流基波與輸入電壓之間的位1/6頁移角是ψ1，根據(jù)傅里葉分析，功率因數(shù)PF與電流總諧波失真(度)THD之間存在下面關(guān)系。PF=cosψ1/(1+THD2)1/2實(shí)測表明，對(duì)于未采取PFC措施的電子鎮(zhèn)流器，僅三次諧波就達(dá)60,(以基波為100,)，THD會(huì)超過電流基波，PF不超過0.6。線路功率因數(shù)過低和電流斜波含量過高，不僅會(huì)對(duì)造成電能巨大浪費(fèi)，而且會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重污染，影響到整個(gè)電力系統(tǒng)的電氣環(huán)境，包括電力系統(tǒng)本身和廣大用戶。都對(duì)AC線路電流諧波作出了具體的限制要求。為提高線路功率因數(shù)，抑制電流波形失真，必須采用PFC措施。PFC分無源和有源兩種類型，目前流行的是有源PFC技術(shù)。有源PFC升壓變換器有源PFC電路相當(dāng)復(fù)雜，但半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展為該技術(shù)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)?；诠β室驍?shù)控制IC的有源PFC電路組成一個(gè)DC,DC升壓變換器，這種PFC升壓變換器被置于橋式鎮(zhèn)流器和一只高壓輸出電容之間，也稱作有源PFC預(yù)調(diào)節(jié)器，有源PFC變換器后面跟隨電子鎮(zhèn)流器的半橋逆變器開關(guān)電源的DC,DC變換器。有源PFC變換器之所以幾乎全部采用升壓型式，主要是在輸出功率一定時(shí)有較小的輸出電流，從而可減少輸出電容器的容量和體積，同時(shí)也可減少升壓電感元件的繞組線徑。PFC變換器有不同的分類方法，按通過升壓電感元件電流的控制方式來分，主要有連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)、不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)及介于CCM與DCM之間的臨界或過渡導(dǎo)通模式(TCM)三種類型，不論是哪一種類型的PFC升壓變換器，都要求其DC輸出電壓高于最高AC線路電壓的峰值。在通用線路輸入下，最高AC線路電壓往往達(dá)270V，故PFC變換器輸出DC電壓少是380V(270***V)，通常都設(shè)置在400V的電平上。2/6頁工作在CCM的PFC變換器，輸出功率達(dá)500W以上乃至3KW;在DCM工作的PFC變換器，不在此作重點(diǎn)介紹。工作于DCM的有源PFC升壓變換器控制IC有幾十種型號(hào)，如ST公司生產(chǎn)的L6560、西門子公司生產(chǎn)的TDA4817/TDA4862、摩托羅拉公司生產(chǎn)的MC33261/MC43261、三星公司生產(chǎn)的KA7524/KA7526、哇通公司生產(chǎn)的SG3561等。其中，L6560、KA7524/KA7526和MC33261等，在國內(nèi)直接可以采購，應(yīng)用比較廣泛。這些器件全部采用8引腳DIP或SO封裝，芯片電路組成大同小異，其基本組成包括以電壓誤差放大器為中心的電壓控制環(huán)路和以一象限乘法器、電流感測比較器及零電流檢測器等構(gòu)成的電流控制環(huán)路。圖4示出了DCM升壓型PFC控制IC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及由其組成的預(yù)變換器電路。這種PFC升壓變換器的工作原理如下:當(dāng)接通AC線路后，由于電容C1容值僅為0.1~0.22?F，只用作高頻旁路，故橋式整流輸出為100Hz的正弦半波脈動(dòng)電壓(VR)，亦即AC半正矢，通過電阻R3的電流對(duì)電容C3充電，當(dāng)C3上的電壓升至IC的啟動(dòng)門限(大多為11V左右)以上時(shí)，接通IC電源電壓(Vcc)，IC開始工作，并驅(qū)動(dòng)PFC開關(guān)VT1動(dòng)作，一旦PFC升壓變換器進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)，升壓電感器T1的次級(jí)繞組則感生高頻脈沖信號(hào)，經(jīng)二極管VD5整流和電容C3濾波，為IC提供工作電壓和電流，橋式整流后AC輸入電壓經(jīng)R1和R2組成的電阻分壓器分壓，作為乘法器的一個(gè)輸入(CM1)。升壓變換器的DC輸出電壓，在電阻分壓器下部電阻R9上的分壓信號(hào)，反饋到3/6頁IC誤差放大器的反相輸入端，并與誤差放大器同相輸入端上的參考電壓VREF比較，產(chǎn)生一個(gè)DC誤差電壓VEAO，也輸入到乘法器。乘法器的輸出VMO是兩個(gè)輸入(VM1和VM2)的結(jié)果，作為IC電流感測比較器的參考。當(dāng)IC驅(qū)動(dòng)VT1導(dǎo)通時(shí)，升壓二極管VD6截止，流過L的電流從0沿斜坡線性增加，并全部通過VT1和地回復(fù)。一旦IL在開關(guān)周期內(nèi)達(dá)到峰值，VT1上的驅(qū)動(dòng)PWM脈沖變?yōu)榱汶娖?，VT1截止，電感器L中的儲(chǔ)能使VD6導(dǎo)通，通過L的電流IL沿向下的斜坡下降。一旦IL降為零，L的次級(jí)繞組產(chǎn)生一個(gè)突變電勢被IC的零電流檢測器接收，IC產(chǎn)生一個(gè)新的輸出脈沖驅(qū)動(dòng)VT1再次導(dǎo)通，開始下一個(gè)開關(guān)周期。IC的電流檢測邏輯電路同時(shí)受零電流檢測器和電流傳感比較器的控制，可確保在同一時(shí)刻IC只輸出一種狀態(tài)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。VT1源極串聯(lián)電阻R7用作感測流過VT1的電流。只要R7上的感測電壓超過電流傳感比較器的觸發(fā)門限電平，PFC開關(guān)VT1則截止。當(dāng)AC線路電壓從零按正弦規(guī)律變化時(shí)，乘法器輸出VMO為比較器建立的門限強(qiáng)迫通過L的峰值電流跟蹤AC電壓的軌跡。在各開關(guān)周期內(nèi)電感峰值電流形成的包跡波，正比于AC輸入電壓的瞬時(shí)變化，呈正弦波波形。在兩個(gè)開關(guān)周期之間，有一個(gè)電流為零的點(diǎn)，但沒有死區(qū)時(shí)間，從而使AC電流通過橋式整流二極管連續(xù)流動(dòng)(二極管的導(dǎo)通角幾乎等于180?)，整流平均電流即為AC輸入電流(為電感峰值電流的1/2)，呈正弦波波形，且與AC線路電壓趨于同相位，因而線路功率因數(shù)幾乎為1(通常為0.98~0.995)，電流斜波含量符合IEC1000-3-2標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定要求。與此同時(shí)，由于PFC電壓控制環(huán)路的作用，PFC變換器輸出經(jīng)提升的穩(wěn)壓DC電壓，紋波很大，頻率為100HZ，同樣為正弦波。其控制原理與開關(guān)電源一樣，其DC輸出電壓在90~270V的AC輸入電壓范圍內(nèi)保持不變。4/6頁在DCM下工作的PFC升壓變換器相關(guān)電壓和電流波形如圖5所示，圖6為AC線路輸入電壓和電流波形。事實(shí)上，工作于DCM的PFC升壓變換器開關(guān)頻率不是固定的。在AC輸入電壓從0增大的峰值時(shí)，開關(guān)頻率逐漸降低，在峰值A(chǔ)C電壓附近，開關(guān)周期最大，二頻率最低。在連續(xù)模式(CCM)下工作的PFC升壓變換器采用固定頻率高頻PWM電流平均技術(shù)。這類變換器的開關(guān)占空比是變化的，但開關(guān)周期相同。通過升壓電感器和PFC開關(guān)MOSFET的電流在AC線路電壓的半周期之內(nèi)(即0,t,T/2)，任何時(shí)刻都不為0，而是時(shí)刻跟蹤AC電壓的變化軌跡，其平均電流(IAC)呈正弦波形，且于AC電壓同相位，如圖7所示。工作在CCM下的PFC變換器與DCM的變換器相比，有更低的波形畸變。THD降至5,左右。CCM功率因數(shù)控