背景

近年來，開關(guān)電源因效率高，成本低，而在各個領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。但是采用傳統(tǒng)的非控整流開關(guān)電源，由于輸入阻抗呈容性，網(wǎng)側(cè)輸入電壓和輸入電流間存在較大相位差，加上輸入電流嚴(yán)重非正弦，并呈脈沖狀，故功率因數(shù)極低，諧波分量很高，給電力系統(tǒng)帶來了嚴(yán)重的諧波污染。為此，國際電工委員會早在90年代初就制定了IEC1000-3-2標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格限定設(shè)備的功率因數(shù)必須接近于1，提高開關(guān)電源的功率因數(shù)已經(jīng)成為國內(nèi)電源廠商的當(dāng)務(wù)之急。

開關(guān)電源輸入整流電路對電網(wǎng)的影響

開關(guān)電源一般由公共電網(wǎng)經(jīng)過二極管整流獲得直流電壓。整流電路對于電網(wǎng)來說是非線性負(fù)載，負(fù)載電流含有大量的諧波和無功成分，使得電網(wǎng)的電能質(zhì)量惡化。

●由此可見,大量地應(yīng)用整流電路,要求電網(wǎng)提供嚴(yán)重畸變的非正弦電流，造成的嚴(yán)重后果是：諧波電流對電網(wǎng)有危害作用，并且輸入端功率因數(shù)下降。

●大量的電流諧波分量倒流入電網(wǎng)，會使電網(wǎng)中的諧波噪聲水平提高,造成電網(wǎng)的諧波污染,并且產(chǎn)生二次效應(yīng),使得電網(wǎng)電壓(原正弦波)也發(fā)生畸變。

●功率因數(shù)過低，致使輸出功率太小。

功率因素和THD

上式中I1/I稱為畸變因數(shù)，cosa稱為位移因數(shù)。當(dāng)a=0時，PF=I~1~/I

PF與THD的關(guān)系

可見，當(dāng)THD≤5％時，PF值可控制在0.999

APFC基本原理

工作原理：輸出電壓V0和基準(zhǔn)電壓Vr比較后，輸出給電壓誤差放大器VA，整流電壓檢測值Vdc和的輸出電壓信號共同加到乘法器M輸入端，M輸出作為電流反饋控制的基準(zhǔn)信號，與開關(guān)電流檢測值is比較后，經(jīng)過電流誤差放大器加到PWM及驅(qū)動器，以控制開關(guān)的通斷，從而使輸入電流的波形與整流電壓的波形基本一致。

常用APFC分類

Boost升壓型

輸入電流即為電感電流且連續(xù)，容易調(diào)節(jié)，驅(qū)動簡單，適合于電網(wǎng)電壓變化大的場合。

Buck降壓型

開關(guān)管所受最大電壓為輸入電壓，電壓應(yīng)力小，當(dāng)后級短路時，可以利用開關(guān)管實(shí)現(xiàn)輸出短路保護(hù)

Buck-Boost升降壓型

對輸入電壓升降壓，輸入電壓選擇范圍大，可利用開關(guān)管實(shí)現(xiàn)輸出短路保護(hù)

正激型

反激型

按電流連續(xù)方式分類

CCM控制模式

常用的三種PFC控制方法比較

其他控制方法

單周期控制技術(shù)

不需要乘法器，具有調(diào)制和控制的雙重功能，通過復(fù)位開關(guān)、積分器、觸發(fā)電路、比較器達(dá)到跟蹤指令信號的目的

電荷泵控制技術(shù)

利用電流互感檢測開關(guān)管的開通電流，檢測電容充放電，電壓達(dá)到控制電壓時開斷開關(guān)管。

非線性載波控制技術(shù)

一種簡單的單級PFC電路，不需要采樣電壓，通過比較非線性載波與電流檢測波形獲得pwm波形

無差拍控制技術(shù)

是一種在電流滯環(huán)比較控制技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的全數(shù)字化的控制技術(shù)

其他PFC控制方法

通過平均電流控制法實(shí)現(xiàn)的一種Boost型PFC電路它消除了傳統(tǒng)的平均電流控制法中所需要的模擬乘法器和輸入電壓檢測環(huán)路,整體電路結(jié)構(gòu)顯得十分簡單。

有關(guān)功率因數(shù)校正的控制策略的簡化成為今后研究的發(fā)展趨勢,現(xiàn)代控制理論中相關(guān)控制方法如極點(diǎn)配置法、非線性狀態(tài)反饋、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、空間矢量調(diào)制、模糊控制 ,以及二次型最優(yōu)控制等,都將成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)

商用PFC控制芯片

為便于研制和生產(chǎn)有源功率因數(shù)校正器，現(xiàn)在PFC的控制電路已集成化。目前,在市場上己經(jīng)出現(xiàn)了多種型號的針對Boost型變換電路的商用PFC 控制芯片,從其控制方法來看,主要采用有:

1、DCM模式下的變頻控制法,例如MC34262,L6562,UC3852等,可以應(yīng)用于中小功率場合,這些芯片的外接引腳相同(都是DIP8或SO-8封裝),性能指標(biāo)相似,可以互換使用。

2、CCM模式下的平均電流控制法,如UC3853,UC3854A/B,TK83853, ML4821等,主要應(yīng)用于中大功率場合。

基于DSP的數(shù)字控制技術(shù)

近年來，DSP 器件的性價比有望進(jìn)一步提高，這使得高質(zhì)量數(shù)字控制 PFC 的實(shí)現(xiàn)成為了可能，數(shù)字控制代替模擬控制勢必成為今后發(fā)展的趨勢

基于 TMS320LF2407A 控制的功率因數(shù)校正電路

經(jīng)過數(shù)字化采樣后的V0 信號與輸出參考電壓信號Vref 進(jìn)行比較，信號差送入電壓外環(huán)的 PI 調(diào)節(jié)器。

該環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)Gvea 的輸出與信號Vin 的采樣值相乘，生成電流內(nèi)環(huán)所必需的參考電流值Iref 。

輸入電感電流inI 經(jīng)數(shù)字采樣后，與參考電流Iref 進(jìn)行比較，差值送入電流內(nèi)環(huán) PI 調(diào)節(jié)器。

該 PI 調(diào)節(jié)器的輸出送入 PWM 比較器，與三角波信號比較產(chǎn)生開關(guān)信號的占空比，最后通過驅(qū)動電路產(chǎn)生驅(qū)動信號控制開關(guān)管的通斷，實(shí)現(xiàn)電路的功率因數(shù)校正。




審核編輯：劉清