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1、ＰＦＣ开关电源功率因数校正原理 ＰＦＣ开关电源功率因数校正原理一、什么是功率因数补偿，什么是功率因数校正： 功率因数的定义为有功功率与视在功率的比值． 功率因素补偿:这项技术主要是针对因具有感性负载的交流用电器具的电压和电流不同相(图1)而引起的供电效率低下,提出的改进方法(由于感性负载的电流滞后所加电压,电压和电流的相位不同,使供电线路的负担加重,导致供电线路效率下降,这就要求在感性用电器具上并联一个性质相反的电抗元件.用以调整该用电器具的电压、电流相位特性.例如:当时要求所使用的40W日光灯必须并联一个4.75μF的电容器).用电容器并联在感性负载
2、的两端,利用电容上电流超前电压的特性,用以补偿电感上电流滞后电压的特性,使总的特性接近于阻性,从而改善效率低下的方法叫做功率因数补偿(交流电的功率因数可以用电源电压与负载电流两者相位角的余弦函数值cosφ表示)。图1 在具有感性负载中供电线路中电压和电流的波形 常规开关电源功率因数低是由于开关电源都是在整流后,用一个大容量的滤波电容使输出电压平滑,因此负载特性呈现容性.这就造成了交流220V在整流后,由于滤波电容的充、放电作用,在其两端的直流电压上出现略呈锯齿波的纹波.滤波电容上电压的最小值远非为零,与其最大值(纹波峰值)相差并不多.图2 全波整流电压和
3、AC输入电流波形因为根据整流二极管的单向导电性,只有在AC线路电压瞬时值高于滤波电容上的电压时,整流二极管才会因正向偏置而导通,而当AC输入电压瞬时值低于滤波电容上的电压时,整流二极管因反向偏置而截止.也就是说,在AC线路电压的每个半周期内,只是在其峰值附近,二极管才会导通.虽然AC输入电压仍大体保持正弦波波形,但AC输入电流却呈高幅值的尖峰脉冲,如图2所示.这种严重失真的电流波形含有大量的谐波成份,引起线路功率因数严重下降. 在正半个周期内(180o),整流二极管的导通角大大小于180o,甚至只有30o～70o.由于要保证负载功率的要求,在极窄的导通角
4、期间,会产生极大的导通电流,使供电电路中的供电电流呈脉冲状态.它不仅降低了供电的效率,更为严重的是,它在供电线路容量不足或电路负载较大时,会产生严重的交流电压波形畸变(图3),并产生多次谐波,从而干扰了其它用电器具的正常工作(这就是电磁干扰－EMI和电磁兼容－EMC问题)。图3 正常供电电压波形和接入容性负载后电压波形畸变二、怎样进行功率因数校正：1、功率因数校正:(PFC) 我们目前使用的电视机,由于采用了高效的开关电源,而开关电源内部电源输入部分,无一例外的采用了二极管全波整流及滤波电路,如图4A所示,其电压和电流波形如图4B所示。图4 全桥整流滤波电
5、路及电压和电流波形图 如果在整流滤波后不加滤波电路,仅为足性负载时,输入电流即为正弦波.并且与电源电压同相位,功率因数为1.因此,功率因数校正电路的基本思想就是将整流电路与滤波电容隔开,使整流电路由电容性负载变成电阻性负载. 功率因数校正电路其实就是一个AC/DC变换器.它是利用脉冲波宽度调变(PWM)技术来调整输入功率的大小,以供应适当的负载所需的功率.脉冲波宽度调变器控制切换开关将直流输入电压变换成一串电压脉冲波,随后利用变压器和快速二极管将其转换成平滑的直流电压输出.这个输出电压随即与一个参考电压进行比较,所产生的电压差反馈至PWM控制
6、器.这个误差电压信号用来改变脉冲波宽度的大小.如果输出电压过高,脉冲波电压会减小,进而使输出电压降低,使输出电压恢复至正常输出值. PFC电路就是利用这个方法,但是加入了一个电路,使的来自交流电源的电流是一个正弦波并与交流电压同相位.此时误差电压信号的调变是由整流后的交流电压和输出电压的变化来控制的,最后误差电压信号反馈至PWM控制器.也就是说,当交流电压高时,PFC电路就从交流电源吸取较多的功率;反之,若交流电压较低,则吸收较少的功率,这样就可以抑制交流电流谐波的产生. 为了抑制电流波形的畸变及提高功率因数,现代的功率较大(大于85W)具有开关电源(
7、容性负载)的用电器具,必须采用PFC措施,PFC分为有源PFC和无源PFC两种方式。2、无源PFC电路： 不使用晶体管等有源器件组成的校正电路,一般由二极管、电阻、电容和电感等无源器件组成。 这种电路主要是在整流桥堆和滤波电容之间加一只电感(适当选取电感量),利用电感上电流不能突变的特性来平滑电容充电强脉冲的波动,改善供电线路电流波形的畸变,并且利用电感上电压超前电流的特性也补偿滤波电容电流超前电压的特性,使功率因数、电磁兼容和电磁干扰得以改善,如图5所示.图5 无源PFC电路 此种方式还不能称为真正的无源PFC电路,只是一种简单的补偿措施,可以应用在
8、前期设计的无PFC功能的设备上,简单的增加一个合适的
