功率因数校正原理及相关IC

2011-05-22 10:02:29来源: 互联网

1概述

近年来,随着电子技术的发展,对各种办公自动化设备,家用电器,计算机的需求逐年增加。这些设备的内部,都需要一个将市电转换为直流的电源部分。在这个转换过程中,会产生大量的谐波电流,使电力系统遭受污染。作为限制标准,IEC发布了IEC1000?3?2;欧美日各国也颁布实施了各自的标准。为此谐波电流的抑制及功率因数校正电源设计者的一个重要的课题。

2高次谐波及功率因数校正

一般开关电源的输入整流电路为图1所示:

市电经整流后对电容充电,其输入电流波形为不连续的脉冲,如图2所示。这种电流除了基波分量外,还含有大量的谐波,其有效值I为:I=(1)

式中:I1,I2,…In,分别表示输入电流的基波分量与各次谐波分量。

谐波电流使电力系统的电压波形发生畸变,我们将各次谐波有效值与基波有效值的比称之为总谐波畸变THD(TotalHarmonicDistortion):THD=(2)

用来衡量电网的污染程度。脉冲状电流使正弦电压波形发生畸变,见图3的波峰处。它对自身及同一系统的其它电子设备产生恶劣的影响,如:

——引起电子设备的误操作,如空调停止工作等;

——引起电话网噪音;

——引起照明设备的障碍,如荧光灯闪灭;

——造成变电站的电容,扼流圈的过热、烧损。

功率因数定义为PF=有效功率/视在功率,是指被有效利用的功率的百分比。没有被利用的无效功率则在电网与电源设备之间往返流动,不仅增加线路损耗,而且成为污染源。

设电容输入型电路的输入电压e为:

e(t)=Em·sinω0t(3)

 

图1电容输入型电路

图2电容输入型电路的输入电流,5A/DIV

 

图3输入电压波形发生畸变

入电流i为:i(t)=Imk·sin(kω0t)(4)

则有效功率Pac为:

Pac=e(t)·i(t)dt=Em·Im1/2=E·I1而视在功率Pap为:

Pap=E·I因此:

PF=Pac/Pap=I1/I=(5)

电流波形为图2的电源功率因数只有62.4%。由式(2)、(5)可见功率因数与总谐波畸变THD的关系为:PF=1/(6)

从式(2)、式(5)可见,抑制谐波分量即可达到减小THD,提高功率因数的目的。因此可以说谐波的抑制电路即功率因数校正电路(实际上有所区别)。

3功率因数校正的实现方法

综上所述,只要设法抑制输入电流中的谐波分量,通过电路方法,将输入电流波形校正为或使无限接近正弦波,即可实现功率因数校正。

有很多的电路方式可以实现这一目的,比如说在电路中加入一个大电感(见图4),使整流管的导通角变大。这种方法虽然简单,价格低,但存在体积大,重量大,且效果不好(PF小于80%)等缺点。

下面以东芝公司的功率因数校正控制ICTA8310F为例,介绍一种有源功率因数校正方法。电路原理图见图5。

3.1主电路

由一个全桥整流器和升压型BOOST变换器构成,虽然其它的变换器BUCK,FLYBACK等也可以实现这一功能,但是由于BOOST变换器具有输出电容小断电保持时间长,可实现WorldWild电压输入,及输入电流连续EMI小等诸多优点,大部分功率因数校正都采用它来作为主电路。

Vout=Vin/(1-D)(7)

式中:Vin为输入电压的有效值;

D为开关管FET的占空比。

主电路参数为:输入178~264Va.c.;

输出380Vd.c.;

最大输出功率608W。

3.2PFC控制电路

为图5的虚线框中部分,主要包含一个乘法器MPX,电流误差放大器EI及PWM比较器。三者协调工作,将系统的输入电流校正为正弦波,实现谐波的抑制。原理如下:

(1)乘法器MPX包含2个输入,一个是通过电阻Ra检测输入电压,作为基准的正弦波信号。只要做到使输入电流波形与此一致,即可达到目的。乘法器的另一个输入是电压误差放大器EV的输出端,作为输出稳压的控制信号,见下述(3)。乘法器为电流输入型,不易受噪音干扰;

图4扼流圈输入型电路

图5有源功率因数校正电路原理图(原图,未做格式处理)

图6电感线圈L的电流波形示意图

图7功率因数改善后的输入电流波形,2A/DIV

(2)乘法器的输出电流信号为基准正弦波电流与电压误差放大器EV输出的积,它通过电阻Rb,产生一个信号电压。该信号电压与由电阻Rc检测到的主电路电流的信号电压之差输入到电流误差放大器EI,而EI与PWM比较器,驱动器DRIVER,主电路及Ra形成一个闭环控制。使两者的差无限接近于零。也就是说电阻Rb上的信号电压与电阻Rc上的信号电压相同,以达到电源的输入电流波形无限接近于基准正弦波的目的。

为了更容易理解,可放大示波器X轴量程,观察输入电流IL的波形,如图6所示,通过PWM控制,改变开关的占空比,来实现对输入电流的校正;

(3)一个PFC里面有2个闭环控制回路,其一就是上述的(1)、(2),我们称之为电流控制环。它实现功率因数校正。其二是由电压误差放大器EV,乘法器MPX,EI,PWM比较器,DRIVER,主电路及Ra构成的电压控制环,它使输出电压稳定在380Vd.c.。

主要设计参数有:开关频率f=95kHz;

功率因数PF=99.2%;

效率η=95.4%。

EMC:符合VCCI?A,FCC?A,VDE?A,DOC?A,及EN55022。

实现功率因数校正后的电源,其输入电流的波形,见图7。功率因数达到99.2%,THD只有0.127。与图2比较,电流波形已得到明显的校正。

3.3设计时的注意事项

扼流线圈的选取会影响到输出纹波电流的大小,及其它电路设计参数。应保证它有足够大的饱和电流,而其值L为:L=·Vmin2/(2··Pout·f)(8)

式中:Vmin为最小输入电压的峰值;

Vout为输出电压;

ΔIL为扼流线圈上的纹波电流峰峰值;

IPmax为输入电流的峰值;

Pout为输出功率;

f为电源开关频率。

用来检测电流的主电路上的Rc应当选用额定功率大的电阻,且阻值应尽量小,一般在几十mΩ级。

IC的2脚,4脚间及12脚,13脚间接入RC相位补偿网络,合适的选值可以使系统更稳定,并可减小输出电压纹波。

4结语

作为限制谐波电流的对策而导入的功率因数校正,对其小型化,高效率,低价格,噪音小的要求将会越来越苛刻,特别是对其低噪音化在国外已经成为一个重要的课题,利用谐振技术的PFC控制IC也已经得到了开发和应用,如UNITRODE公司的UC3852等。改善和创新永无止境。

关键字:校正  原理  相关

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0522/article_8947.html
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