几种功率因数校正的新方法

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1、几种功率因数校正的新方法 1、 前言    传统的全波整流和大容量的电容滤波电路从AC电网获得DC电压的方法,优点是电路简单,成本较低,但这种AD/DC转换方式会在桥式整流器输入端产生非正弦波AC电流,其高次谐波远远超出关于《低压电器及电器设备发生的谐波电流限制》国际和国家标准的要求,系统功率因数只保持在0.55~0.65。    之所以会产生高幅值的尖峰脉冲电流,归根结底是由整流二极管的单向导电性所致。由于二极管只有在正向偏置时才会导通,亦即只有在AC瞬时电压幅值高于滤波电容器两端DC电压时,整流二极管才会有电流通过。很显然,二

2、极管只有在AC电压峰值附近才会导通,其导通角小于90º(一般仅约70º)。    抑制AC输入电流发生波形畸变的主要方法上采用PFC控制IC的升压拓扑(被称之为有源PFC预调节器或预变换器),能使整流二极管的导通角趋于180º,产生与AC电压同相位AC输入正弦波电流,致使系统功率因数十分接近于1。    事实上,采用有源PFC升压变换器电路并非是PFC的唯一方法。本文简要介绍不同于传统有源PFC的几种解决方案。2、几种PFC的新方法   2.1 充电泵无源PFC    目前在荧光灯交流电子镇流器中,采用了几种无源PFC电路,其作用

3、是增加整流二极管的导通角,使AC输入电流平滑和连续。在低功率开关电源(SMPS)中也可以采用PFC技术,如图1所示的电路就带PFC功能。TDA/6846是亿恒公司生产的支持低功率待机(standby)的PWM控制IC,在桥式整流器(D1~D4)和平滑电容器(C7)之间,L8、D8和C8等组成电流供给泵电路(起PFC作用),简化图如图2所示。    在加入充电泵后,同时兼有缓冲器功能,故在变压器初级绕组Np两端,无需使用RCD缓冲电路。关于PFC原理大致如下所述:IC1脚13输出PWM脉冲驱动T1(MOSFET)导通时,其漏报电压V

4、D跃变到零伏。由于初级电感LP的存在,初级电流IP线性增长。T1漏极电压VD的跳变,通过电容C8传输到L8和D8的连接点上,使该点电压VP由正变负,从而导致流过L8的电流IL8并不阻断,而是逐渐增加,并向C8充电。在此过程中,D8是截止的。    当IC1驱使T1由导通跃变到截止时,ID=0,VD(及VP)会急剧爬升,二极管D8导通,对电容C7充电,使L8中的储能转移到C7中,IL8缓慢减小至零。IL8从零逐渐增加。由此可见,桥式整流器二极管的导通角趋于180,从而呈现图3所示的AC电流(IAC)波形,系统功率因数达0.9以上,电

5、流谐波含量明显减小。除少数奇次谐波之外,1~39次谐波分量大多符合EN61000-3-2和国标GB17625.1-1998的限制要求。这种充电泵PFC电路简单,成本较低,但效果不及带PFC控制IC的有源PFC。    2.2带非正弦波电流的数字PFC    PFC控制IC的有源PFC预变换器,在桥式整流器输入端产生与AC电压同相位的正弦波AC电流。事实上,一个AC输入同相位的非正弦波电流,通过合理控制电流波形上升沿和下降沿时刻及幅度,同样能使高次谐波含量符合标准限制要求,系统功率因数非常接近于1。例如,对于50HZ的AC输入电压,

6、在半周期(10MS)内产生如图4(a)所示的呈凸字形的非正弦波电流,利用付立叶变换得到的各个奇次谐波量值与标准比较如图4(b)所示。这种最大值为5A的电流波形,相应于1000W的输入功率其基波电流为4.3A,三次谐波电流为1A,标准限制值是2.3A。其它各个奇次谐波电流含量,都低于标准规定要求。    采用升压变换器拓扑结构,利用微控制器可以获得符合标准要求的非正谐波电流,同时能得到稳定的DC输出电压,并提供各种安全保护功能。采用升压式PFC拓扑结构,在同样的输出功率下,有较小的输出电流,从而可使用较小的输出电容和电感元件。   

7、 图5示出的是一种基于标准ST90E30微控制器和UC3843电流型PWM控制器的数字PFC 升压式预调节器电路原理图。PFC升压变换器的输入电压(即全桥整流100HZ正弦半波脉动电压)经R1和R2组成的电阻分压器取样被ST90E30检测。变换器DC输出电压通过R3和R4组成的电阻分压器采样,也被微控制器A/D转换器的一个信道检测。DC输出电压的设定值,被存储在微控制器的存储器中。变换器的DC输出电压调节环路的作用是保持DC输出电压不随负载变化而波动。    数字PFC升压变换器的电流调节环路以UC3843的比较器、触发器及其脚6

8、输出驱动的功率开关MOSFET(Q)为基础,用作控制电流波形。电压调整环路给出一个经RC滤波的PWM电压参考VREF,并与Q源极电阻Rsense上的电流感测电压进行比较,以确定在功率MOSFET中的峰值电流限制值IL。微控制器提供时钟信号,用作使功

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