基于NCP1650型功率因数校正器的开关电源的设计

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1、1功率因数校正器简介1．1功率因数对于不存在失真的交流电而言，其输入电压与输入电流的表达式分别为……………………1.1…………………1.2式中的、均代表瞬时值，、为有效值，代表相脚。交流输入的视在功率=，而有功功率=。仅当达到1时，==。功率因素的英文缩写为PF，其符号为。功率因素就被定义为有功功率与视在功率的比值，有公式：…1.31．2开关电源中的功率因数在设计开关电源时，通常是先设计一个整流桥对电网电压进行整流，将交流电压变成脉动的直流电压，然后通过滤波电容对电压进行纹波滤除,最后输出直流电压。目前，一般的开关电源中的变换器都是由桥式整流器与电容滤波器构成的。由

2、于负载中大容量滤波器的存在，使得整流二极管的导通角变得很窄，仅在交流电压的峰值附近才能导通，致使交流电流产生严重失真，变成了尖峰脉冲，如图1.1所示。图1.1变换后的波形这种电流波形中包含了大量的谐波分量，经滤波后输出的有功功率30就会明显降低。由式1.3可知，电源在额定容量下向负载提供的有功功率是由负载的功率因数来决定的。有功功率降低，说明是功率因数降低了。可见，为了提高电源设备的利用率和减少输电线路的损耗，有必要提高功率因数。电路中功率因数降低的原因，往往是由电路中的感性负载所造成的。为了提高经济效益和保证负载正常工作，一般用电容（补偿电容）与感性负载并联的办法

3、来提高电路的功率因数（并联电容后，负载两端的电压和取用的电流及功率都不变）。1.3功率因数校正器1.3.1交流电中功率因数的分析交流供电设备的功率因数是在电流波形无失真的情况下定义的，如式1.3，即………………..1.4交流电中，造成功率因数降低的原因有两个：一个是电流波形的相位漂移，二是电流波形存在失真（如图1.1所示）。（1）电流波形相位漂移相位漂移通常是由电源的负载性质（感性或容性）而引起的。在这种情况下，对功率因数的分析相对简单，一般可通过公式1.4进行计算。………………………1.5（2）电流波形失真当电流波形存在失真时，式1.5不再适用，我们只能对交流信号

4、的谐波进行分析，从而来确定的值。图1.1所示失真的波形，为一非正弦周期电流，它包含了大量的谐波分量。在电力工程上，将周期电流或电压在一个周期内产生的平均效应换算为在效应上与之相等的直流分量，，从而得到任一周期电流的有效值的定义式:………………………………1.6所以，一个非正弦周期电流也可以直接进行上述定义的积分求有效值，从而获得它的有效值与各次谐波有效值的关系。30我们对失真的电流进行傅立叶级数分解，可得：……………………1.7将式1.7代入到式1.6中，则得到电流的有效值为……………1.8要计算式1.8右边根号内的积分，先将被积函数的平方项展开。将式1.8展开有两

5、种类型：（1）直流分量与各次谐波分量自身的平方，它们的平均值为：====（2）直流分量与各次谐波分量乘积的两倍，或者是两个不同次谐波分量乘积的两倍。由三角函数正交性公式：①正弦、余弦函数在一个周期上的定积分为0，即②正弦、余弦函数的乘积，不同频率的正弦与正弦、余弦与余弦函数的乘积在一个周期上的定积分为0，即由上述三角函数的正交性的公式，可以求得的有效值为：…………1.9对于只有电流波形失真，而电压波形正常的电源设备来言，其输出的平均功率和视在功率有如下关系式：30…………1.10由式1.10可知，通过减小失真电流波形中的谐波分量，就可提高功率因数。1.3.2功率因数

6、校正原理导致电流波形失真的主要原因是交流电经过整流后的电流不能跟随电压波形的变化。而功率因数校正器的作用就是强迫线电流能跟随线电压波形的变化，它不仅能提高交流电源变换器的功率因数，还可以抑制谐波，减小峰值电流和有效值电流，消除基波的相位漂移。传统的功率因数概念是基于线性负载的条件得到的，它要求交流设备中的电压与电流为相同频率的正弦波，因此可通过在感性负载两端并联移相电容来校准功率因数，这种方法被称为无源功率因数校正。无源功率因数校正器存在着很大的局限性，它不仅体积庞大、笨重、价格高，而且对基波的相移加以补偿，它仅对某些特定的谐波具有抑制作用。现在市场上用的大多为有源

7、功率因数校正器（APFC），它主要包括乘法器和电流控制器。有源功率因数校正器又称为有源开关型补偿法，现今得到推广的APFC是DC/DC变换型电流整形方法，由于其主体为高频DC/DC变换器，所以也称为高频APFC。高频APFC的基本思想是：将输入交流电压进行全波整流，得到全波整流电压，然后对全波直流电压进行DC/DC变换，通过控制器，使输入电流平均值自动跟踪全波整流电压的基准，且保持输出电压稳定，从而实现恒压输出。其基本原理如图1.2所示。图1.2有源功率因数校正原理框图利用APFC对图1.1所示波形进行校正后，所得波形如图1.3所示30图1.3校正后的波形由图1