（电力电子与电力传动专业论文）开关电源功率因数校正的研究.pdf

r e s e a r c ho np o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n o ft h es w i t c h i n gp o w e r s u p p l y m a j o r ：p o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e rd r i v e n a m e ：h ey a n l i s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f c h e nm i n g a b s t r a c t s w i t c h i n gp o w e rs u p p l yi s i nad o m i n a n tp o s i t i o ni nt h ep o w e rs u p p l ya r e a b e c a u s eo fi t sh i g he f f i c i e n c ya n dh i g hd e n s i t yo fp o w e r i nm o s tc k c u m s t a n c e s s w i t c h i n gp o w e rs u p p l yi sc o n n e c t e dw i t he l e c t r i cn e tt h r o u g hr e c t i f i e r t r a d i t i o n a l r e c t i f i e r sa r en o n - l i n e a rc i r c u i t sc o m p o s e do fd i o d e so rt h y r i s t o r s t h ei n p u tc u r r e n t i sap u l s e ，s ot h ep o w e rf a c t o ro ft h ea l t e r n a t i n gc u r r e n tn e ti sv e r yl o w t h ee l e c t r i c n e t w o r ki sp o l l u t e db e c a u s eo fv a r i o u sh a r m o n i cw a v e sa n dv a rp o w e r i tb e c o m e s s o c i a le f f e c t so fp o l l u t i o n s w i t c h i n gp o w e rs u p p l yh a sb e c o m eo n eo ft h eg r e a t e s t h a r m o n i cw a v es o u r c e s s op o w e rf a c t o rc o r r e c t i o no ft h ee l e c t r i cn e t w o r kh a s b e c o m eo n eh o t s p o ta m o n gt h ec u r r e n tr e s e a r c h e s m o s tr e s e a r c h e sa n da p p l i c a t i o n i np o w e rf a c t o rc o n v e r t o ra d o p tat e c h n i q u ec o m p o s e do ft w os t a g ed c - d c c o n v e r t o r si ns e r i e s t h em a x i m a ld e f e c ti st h a tt h ec i r c u i tn e e d sm a n yc o m p o n e n t s w i t hh i g hc o s ta n dl o we f f e c t t h ea p p l i c a t i o ni sn o te c o n o m i c a le s p e c i a l l yw h e n i ti s a p p l i e di nt h em e d i u ma n dl o wp o w e rc i r c u m s t a n c e s n o wv a r i o u sr e s e a r c h e so n p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc i r c u i t sa r eb e i n gd o n ea th o m ea n da b r o a da n dt h e yh a v ea g o o de f f e c tw i t hh i g hp o w e rf a c t o ra n dl o wc o s t i t i s s i g n i f i c a n ti ns t u d y i n g t e c h n i q u eo ns i n g l es t a g ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o na n dc o n v e r t i o n , a n di t i sg o o df o r c o n t r o l l i n go fh a r m o n i cw a v ep o l l u t i o n 、d e v e l o p i n gg r e e np o w e rs u p p l y a n d r e a l i z i n gt h em o d e ms w i t c hp o w e rs u p p l yi nm i n i a t u r ea n di nl i g h tw e i g h t a se l e c t r o - i n f o r m a t i o ni n d u s t r yh a sd e v e l o p e dr a p i d l y , t h ed e m a n do fs w i t c h i n g p o w e rs u p p l yg r o w sd a yb yd a y p f c ( p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ) i n t e g r a t e dc o n t r o l l e r o ft h es w i t c h i n gp o w e rs u p p l yh a sb e c o m eas u n r i s i n gi n d u s t r y w i t ht h ew i d e a p p l i c a t i o no fs w i t c h i n gp o w e rs u p p l y , p f ci n t e g r a t e dc o n t r o l l e ro ft h es w i t c h i n g p o w e rs u p p l yh a ss h o w e ds t r o n gp o w e r i th a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sh i g h v i n t e g r a t e dd e n s i t y 、h i g hp e r f o r m a n c ec o s tr a t i o 、s i m p l ep e r i p h e r a lc i r c u i ta n dh i g h p e r f o r m a n c e n o wp f ci n t e g r a t e dc o n t r o l l e rh a sb e c o m ep r e f e r r e di n t e g r a t e dc i r c u i t i nd e v e l o p i n gp o w e rs u p p l i e sa n ds w i t c h i n gp o w e rs u p p l ym o d u l e s i nt h i st h e s i s ，t h ee l e c t r i cn e t w o r kh a r ma n dt h ed e f i n i t i o no ft h ep o w e rf a c t o r w e r ei n t r o d u c e d v a r i o u st o p o l o g yo ft h ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc o n v e r t o r sw e r e s u m m a r i z e da n dc h a r a c t e ro ft h ev a r i o u st o p o l o g y 、a p p l i c a t i o nc i r c u m s t a n c e sa n d c o n t r o lm e t h o d sw e r ec o m p a r e da n da n a l y z e d t h ea p p l i c a t i o na n da d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so f t h ef l y b a c kt o p o l o g yw e r ei n t r o d u c e di nd e t a i l i nt h ee n d ，ap o w e r f a c t o rc o r r e c t i o nc o n v e r t o rw i t hal o wo u t p u tp o w e rw a sd e s i g n e db yu s i n gap o w e r f a c t o rc o r r e c t i o ni n t e g r a t e dc h i ps a 7 5 2 7 a ne x p e r i m e mw a sa l s od o n et ov e r i f yt h e f e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g n t h er e s u l ts h o w e dag o o de f f e c to fp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n w i t ht h ec o r r e c t e dp fa b o u t0 9 5 k e yw o r d s ：a c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n , s i n g l es t a g e ，f l y b a c kp o w e rs u p p l y ， s a 7 5 2 7 v i 图1 1 图1 2 图卜3 图1 4 幽1 5 图1 6 图1 7 陶2 1 图2 2 幽2 3 图2 。4 幽2 5 图2 6 图2 。7 图2 。8 图2 9 幽2 1 0 图3 1 幽3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图形目录 传统a c d c 前端电路，唾 传统a c d c 电路输入电压与输入电流波形4 非正弦波傅立叶分解为基波和各次谐波5 i e c6 10 0 0 3 2 谐波电流标准的分类6 i e c6 10 0 0 3 2c l a s sd 的输入电流波形范围8 各种输入电压和输入电流对虑的髟和吃1 1 总谐波含量与功率因数的关系1 2 典型无源滤波型p f c 电路】6 基本三相单开关p f c 电路18 两级式功率冈数校正原理图2 0 单级式p f c 电路2 l 两级p f c 方案( a ) 转化为单级p f c 方案( b ) 的实例2 1 硬开关b o o s t 型p f c 电路2 3 硬开关电路的测量波形2 3 z v t - b o o s t 爱p f c 电路，一2 5 z v t - b o o s t 型电路的主要波形2 6 z c b o o s t 型p f c 电j 珞，2 7 b o o s t 型变换器主拓扑2 9 常用b o o s t 型有源功率因数校正原理图，2 9 b u c k 型a p f c 变换器主拓扑3 0 b u c kd c d c 变换器的三个状态。3l b u c k - b o o s t 型a p f c 变换器土拓扑3 2 c u k 型a p f c 变换器主拓扑3 3 改进的c u k 型a p f c 电路3 3 z e t a 型a p f c 电路3 4 f o r w a r d 型a p f c 电路3 4 f l y b a c k 型a p f c 电路一一3 5 b o o s t f o r w a r d 型p f c 变换器3 6 b i f r e d 型p f c 交换器。3 6 b i - f l y b a e k 型p f c 变换器3 6 v m 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图3 1 9 图3 2 0 图3 2 1 图3 2 2 图3 2 3 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 酗4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 ，1 6 图4 1 7 图4 1 8 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 1 图4 2 2 图4 2 3 图4 2 4 电压跟随器p f c 电路3 8 d c m 下主要电流波形3 8 d c m 工作模式b o o s t 型a p f c 电路控制原理图。4 0 电流型p f c 屯路控制原理图一4 1 电流峰值法控制的b o o s t 型a p f c 电路原理图4 3 峰值法控制时电感电流及开关管的控制波形4 3 平均电流控制法的b o o s t 型a p f c 电路原理图4 4 平均电流法控制的电感电流及开关管的控制波形4 4 电流滞环控制法的b o o s t 型a p f c 电路原理图4 5 电流滞环控制法的电感电流及开关管的控制波形4 5 单端反激式变换器电路4 7 反激变换器b c m f 的波形图4 7 反激变换器中r c d 箝位电路51 箝位电压与开关管漏源极击穿电压及最人整流电压的关系图5 2 启动电路5 4 输出电压波动波形5 5 s a 7 5 2 7 的内部框图一5 6 零电流检测端外闸电路5 7 整流输入l 垃乐检测即乘法器外围电路5 8 电流检测外嗣电路5 9 输出反馈控制电路5 9 未校止时输入电压与输入电流波形6 0 加入p f c 后的输入端交流电压和电流波形6 1 未加p f c 的输入电流谐波分析图6 l 加入p f c 的输入电流喈波分析图6 1 加入p f c 后的输入端电流波形6 2 s a 7 5 2 7 芯片在1 0 0 h z 下3 脚( m u t l ) 与4 脚( c s ) 的波形6 2 s a 7 5 2 7 在1 0 0 h z 下的4 脚( c s ) 电压波形6 3 在开关频率卜的电流检测电阻端电压波形6 3 s a 7 5 2 7 的4 脚( c s ) 雨i7 脚( o u t ) 的波形一6 3 s a 7 5 2 7 的4 脚( c s ) 与5 脚( i d e t ) 电压波形6 4 s a 7 5 2 7 的7 脚( o u t ) 与5 脚( 1 d e t ) 波形6 4 负载端输出电压的波形6 5 输出电压的交流纹波6 5 i x 表1 1 表1 2 表1 3 表1 4 表2 1 表2 2 表格目录 i e c 6 1 0 0 0 3 2 对a 类设备的输入电流谐波限制标准7 i e c 6 1 0 0 0 3 2 对c 类设备的谐波限值7 i e c 6 1 0 0 0 3 2 对d 类设备的谐波限值7 当t h d 已知时p f 的计算值1 2 p f c 方案的性能比较2 2 高频软开关变换技术类型2 5 x 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本 人承担。 言萎茹茎麓辨日期：劢穆年多月牛日 。 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权 将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料 室被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、 缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：以蝴 日期：潲年占月午w i l 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指导下完成的成 果，该成果属于中山大学物理科学与工程技术学院，受国家知识产权法保护。 在学期间与毕业后以任何形式公开发表论文或申请专利，均须由导师作为通讯 联系人，未经导师的书面许可，本人不得以任何方式，以任何其它单位做全部 和局部署名公布学位论文成果。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 m 学位论支作者签名：懒 日期：勿罗年6 月年日 第一章绪论 1 1 开关电源的现状及发展趋势 随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种 类也越来越多，电子设备与人们工作、生活的关系日益密切。任何电子设备都离 不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高【1 】。目前常用的电源有直流稳压 电源和丌关电源两大类。由于开关电源本身消耗的能量低，电源效率比普通线性 稳压电源提高一倍，被广泛用于电子计算机、通讯、家电等各个行业。开关电源 被誉为高效节能型电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主 流产品。 1 1 1 开关电源的发展状况 按电力电子的习惯称谓，a c d c ( 理解成a c 转换成d c ，其中a c 表示交 流电，d c 表示直流电) 称为整流( 包括整流及离线式变换) ，d c a c 称为逆变， a c a c 称为交流交流直接变换，d c d c 称为直流直流变换。为达到目的，方 式是多样的。2 0 世纪6 0 年代前，半导体器件产生，并以此器件为主实现这些 变换。电力电子学科从此形成并有了迅速发展。广义地说，凡用半导体功率器 件作为开关，将一种电源形态转变成为另一种形态的主电路都叫做丌关变换器 电路；转变时用闭环控制稳定输出并有保护环节的则称为开关电源( s w i t c h i n g p o w e rs u p p l y ) 。 随着供电电源尺寸变得大了，人们开始为降低开关电源的体积和重量而努 力。因此，发展小型化轻型电源变得越来越重要，尤其对便携式电子设备( 如 移动电话等) 的发展具有更为重要的意义。 2 0 世纪9 0 年代，随着大规模分布电源系统的发展，将i p m ( i n t e l l i g e n t p o w e rm o d u l e ，智能功率模块) 的设计观念推广到更大容量、更高电压的集成 电力电子电路，并提高了集成度，称为集成电力电子模块( i n t e l l i g e n tp o w e r e l e c t r o n i c sm o d u l e ，简称i p e m ) 。将功率器件与电路、控制，以及检测、执行 等元件集成封装，得到标准的、可制造的模块，既可用于标准设计，也可用于 专用、特殊设计。优点是可快速高效地为用户提供产品，显著降低成本，提高 可靠性【2 】。 2 0 世纪9 0 年代中期，3 0 a 4 8 v 开关变换器采用移相全桥z v s p w m ( z e r o v o l t a g es w i t c h p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，零电压开关脉冲宽度调制) 技术后，重 7 k g ，比用p w m 技术的同类产品重量下降了4 0 。软开关技术的开发和应用提 高了开关电源的效率，据说最近国外小功率d c d c 开关电源模块( 4 8 a 1 2 v ) 总效率可达到9 6 ：4 8 a 5 vd c d c 开关电源模块的效率可达到9 2 一9 3 ；2 0 世纪末，国内生产的通信用的5 0 1 0 0 a 输出、全桥移相z v z c s p w m ( z e r o v o l t a g ez e r oc u r r e n ts w i t c h - p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，零电流零电压开关脉冲宽度 调制) 开关电源模块的效率超过了9 3 1 3 1 。 由于开关变换器的非线性、离散性和变结构的特点以及负载的多样性，主 电路的性能必须满足负载大范围变化，所有这些使得开关变换器的控制问题和 控制器的设计更为复杂。一些新的控制方法，如单周期控制、电荷控制、非线 性载波控制、空间矢量控制、滑模变结构控制等也在开关电源中得到了应用。 由于输入端有整流元件和滤波电容，许多整流电源供电的电子设备，使电 网侧( 输入端) 功率因数仅为o 6 5 。用有源功率因数校正技术( a c t i v ep o w e r f a c t o rc o r r e c t i o n ，简称a p f c ) 可提高到0 9 5 0 9 9 ，既治理了电网的谐波“污 染，又提高了电源的整体效率。国内通信电源专业工厂已将有源功率因数校正 技术应用于输出6 k w 、1 0 0 a 的一次电源中，输入端功率因数可达到o 9 2 0 9 3 。 1 1 2 开关电源的发展趋势 对于现代的开关电源功率变换技术的发展趋势，可以概括为：高频化、高 效化、无污染化和模块化。 1 ) 高频化 高频化是缩小电源体积、减轻重量、提高功率密度的重要技术途径。高频 化还可以使开关电源的动态响应得到改善。小功率d c d c 变换器的开关频率将 2 由目前的2 0 0 3 0 0 k h z 提高到1 m h z 以上。功率密度也将由每立方英寸5 0 瓦提 高到1 0 0 瓦以上。 2 ) 高效率化 对于电源来说，效率是关键指标之一，高频化的结果使开关损耗显著增加 以及使高频电磁干扰增大。因此，2 0 世纪8 0 年代后期以来，软开关变换技术 始终是电源技术研究的热门课题。无源软开关技术，即应用无源器件( l ，c ， r 等) 构成网络，对功率开关实现无损缓冲软开关技术，如谐振、准谐振、恒 频零开关以及z v t - p w m ( z e r ov o l t a g et r a n s i t i o n - p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，脉冲 宽度调制零电压变换器) 或z c t - p w m ( z e r oc u r r e n tt r a n s i t i o n p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ，脉冲宽度调制零电流变换器) 等。软开关技术理论上可使开关损 耗降为零，实际上，可使目前的各种电源模块的变换效率由8 0 提高到9 0 以 上，达到高频率、高效率的功率变换。 3 ) 无污染化 随着电力电子装置的广泛应用，输入电源的谐波电流显著增加，功率因数 大大降低，电网受到严重的污染。开关电源的输入端通常是二极管整流与电流 滤波的组合电路，其输入电流呈脉冲状，交流侧功率因数只有0 6 0 7 。为提高 a c d c 开关电源的输入功率因数，可采用无源功率因数校正或有源功率因数校 正技术。无源功率因数校正技术较为简单，即应用l c 滤波网络，只不过滤波 网络体积、重量较大。有源功率因数校正技术是在输入整流和d c d c 变换器间 利用控制电路( 有专用的集成控制芯片) ，使输入端电流波形正弦化并且与电压 同相，从而使输入端功率因数接近1 。 4 ) 模块化 模块化是为了适应分布式电源供电系统的需求。过去，电源功率不大时， 均是采用单一集中的供电方式，近年来分布式供电发展的趋势越来越明显。这 是由于： 分布式供电具有节能、高效经济、维护方便、可靠性高等优点。 适用于低损耗、超高速型集成电路低电压电源的供电要求。 当需要大功率输出时，可用小功率模块及控制集成电路做基本部件，组 成积木式智能化大功率供电电源，其优点是减轻了对大功率元器件的研制压力。 3 1 2 谐波危害及标准规范 1 2 1 谐波危害 对于传统的开关整流电路而言，a c d c 前端通常由桥式整流器和大容量滤 波器组成，如图1 1 所示。在这种电路中，由于输入整流脉动电压仅在高于电 容电压的瞬间才对电容充电，所以只在输入波形的峰值时从输入吸收电流，而 且电流脉冲必须包含足够的能量以支持负载直至下一个峰值。它通过在短时间 内向电容输入大量电荷来实现，然后电容向负载慢慢释放能量，直至下一个周 期开始，电流脉冲往往只占整个周期的一小部分。所以这类传统的a c d c 整流 器即使输入交流电压为正弦波，其输入电流波形却是窄脉冲，如图1 2 所示 4 1 。 图1 1传统a c d c 前端电路 图1 2传统a c d c 电路输入电压与输入电流波形 供电系统中的谐波是指那些频率为基波频率( 在我国取工业用电频率5 0 h z 为基波频率) 整数倍的正弦波分量，也称为高次谐波，非正弦的波形可以通过 傅立叶变换分解成基波和各次谐波，如图1 3 所示【5 】o 4 v _ l + 饥+ 眦 图1 3非正弦波傅立时分解为基波和各次谐波 电力系统中谐波的危害是多方面的，概括起来主要有以下几个方面： 1 ) 影响线路的稳定运行 供配电系统中的电力线路与电力变压器一般采用电磁式继电器或感应式继 电器予以检测保护，使得在故障情况下保证线路与设备的安全运行。但由于电 磁式继电器与感应式继电器对1 0 含量以下的谐波并不敏感，但谐波含量达到 4 0 时将导致继电保护系统误动作，因而在谐波影响下不能全面有效地起到保 护作用。这样，谐波将严重威胁供配电系统的稳定与安全运行1 6 。 2 ) 对电力电容器的危害 当电网存在谐波时，电容器对电力谐波的阻抗很小，谐波电流叠加在电容 器的基波上，使电容器电流变大，温度升高，会引起电容器过负荷甚至爆炸。 另外，谐波的存在往往使电压呈现尖项波形，尖顶电压波易在介质中诱发局部 放电，且由于电压变化率大，局部放电强度大，对绝缘介质更能起到加速老化 的作用，从而缩短电容器的使用寿命。同时，谐波还可能与电容器一起在电网 中造成电力谐波谐振，这将使得故障更为严重。 3 ) 对弱电系统设备的干扰 对于计算机网络、通信、有线电视等弱电设备，电力系统中的谐波通过电 磁感应、静电感应与传导方式耦合到这些系统中，产生干扰。其中电磁感应与 静电感应的耦合强度与干扰频率成正比，传导则通过公共接地耦合，有大量不 平衡电流流入接地极，从而干扰弱电系统。例如，由于谐波的影响，计算机图 形会发生畸变，画面会发生波动，数据处理系统也可能会出现错误，严重的还 会损害计算机。 4 ) 影响电力测量的准确性 目前采用的电力测量仪表中有磁电型和感应型，它们受谐波的影响较大， 特别是电能表( 多采用感应型) ，当谐波较大时将导致计量混乱、测量不准确。 5 ) 谐波对人体有影响 5 。从人体生理学来说，人体细胞在受到刺激兴奋时，会在细胞膜静息电位基 础上发生快速电波动或可逆翻转，其频率如果与谐波频率相接近，电网谐波的 电磁辐射就会直接影响人的脑磁场与心磁场。 1 2 2 标准规范 谐波是电能质量的一个重要指标。指定限制谐波的标准是解决电力系统谐 波危害和影响的重要措施。世界上许多国家都已经制定了限制谐波的国家标准 或全国性规定【7 。1 1 】。 针对高次谐波的危害，从1 9 9 2 年起国际上开始以立法的形式限制高次谐 波，传统的丌关电源在次限制之列。我国国家技术监督局在1 9 9 3 年颁发了国家 标准g b t 1 4 5 4 9 9 3 电能质量公用电网谐波。国际电工委员会( i n t e r n a t i o n a l e l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ，简称i e c ) 于19 9 8 年对谐波标准i e c 5 5 5 2 进行了 修正，另外还制定了i e c 6 1 0 0 0 3 2 标准【1 21 3 1 ，该标准对于输入端电压为 2 2 0 3 8 0 v ，2 3 0 4 0 0 v 和2 4 0 4 15 v 且工作频率为5 0 h z 或6 0 h z 的的电源设备制 定了具体的谐波电流限制标准。这些设备的具体分类方法如图1 4 所示【1 4 1 。 图1 4 i e c6 1 0 0 0 3 2 谐波电流标准的分类 6 表1 1i e c 6 1 0 0 0 3 2 对a 类设备的输入电流谐波限制标准 谐波次数n最大允许谐波电流( a ) 3 2 3 0 奇 51 1 4 次70 7 7 谐90 4 0 波 l lo 3 3 1 30 2 l l5 = n = 3 9o 1 5 1 5 n 偶21 0 8 次40 4 3 谐6o 3 0 波8 锎= 4 00 2 3 $ n 表1 2i e c 6 1 0 0 0 3 2 对c 类设各的谐波限值 基波频率下输入电流百分数 谐波次数n 表示的最大允许谐波电流 22 33 0 p f 51 0 77 95 1 1 - - n = 3 9 ( 仅限奇次谐波) 3 表1 3i e c 61 0 0 0 3 2 对d 类设备的谐波限值 每瓦允许的最人 谐波次数1 3最大允许谐波电流a 谐波电流m a w 33 42 3 0 51 91 1 4 71 00 7 7 9 0 50 4 0 1 l 0 1 3 5 0 3 3 l3 = n = 3 9 3 8 5 n 2 2 5 n ( 同a 类) ( 仅限奇次谐波) 表1 1 一表1 3 为c l a s sa - c l a s sd 的具体输入电流谐波限制标准f 1 41 熨。 7 对于刁 1 的整数) 是表示 输入电流第n 次谐波的有效值。 设基波电流滞后于输入电压的角度为矽，则p f 定义为 p f ：专：三盖掣：_ r m s ( i ) c o s ：k d k 口 ( 1 - 3 ) s v m s im sl 。 uu j 椰( 1 ) 为输入电流基波有效值；为输入电压基波有效值；k j 为输入电流 的波形畸变因数( d i s t o r t i o nf a c t o r ) ；k 。为基波电压和基波电流的位移因数 ( d i s p l a c e m e n tf a c t o r ) ，即功率因数为输入电流波形畸变因数与位移因数的积。 可见，功率因数由输入电流的波形畸变因数髟以及基波电压和基波电流的 位移因数k 决定。k 越小，则设备的无功功率越大，设备利用率越低，导线 和变压器绕组的损耗越大；髟越小，表示设备输入电流谐波分量越大，将造成 电流波形畸变，对电网造成污染，使功率因数降低，严重时会损坏电子设备。 功率因数是畸变因数与位移因数的乘积。当输入电流与输入电压同相位即 痧= 0 时，c o s 声= 1 ，也即k 口= 1 ，则阡= k d 。因此，当输入电压和电流的基 波相位相同时，电流波形的畸变程度就变成了影响胛的决定性因数。只有当 输入电流与电压都是同频同相的正弦波时，才有尸f = 1 。 图i - 6 为各种输入电压和输入电流对应的髟和k 。( a ) 中输入电流波形 同输入电压之间既有相移又有失真，髟 1 ，k 口 1 ，故p f i ；( b ) 中虽然 l o k 口= 1 ，但髟 1 ，所以还是有艘 1 ；( c ) 中虽然k d = 1 ，但k 口 1 ，所以 还是有胛 1 ；只有在( d ) 中，同时满足疋= 1 和如= 1 时，输入功率因数才 为l 。 f a ) k d 1k a l ( b ) k d 1k d ；l ( c ) 、k d = ll 幻 1( d ) k d - - 1k a 碍1 图l - 6 各种输入电压和输入电流对应的髟和疋 1 3 3 功率因数( p f ) 与总谐波畸变( t h d ) 的关系 非正弦的输入电流可以通过傅立叶变换而分解为一系列频率幅值不相同的 正弦波，其中基波电流是与输入电压同频的正弦波，电流波形各次谐波有效值 与基波有效值的比值我们定义为总谐波畸变( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n , 简称 t h d ) 。t h d 用来衡量电网的污染程度。 脚=：匿4 ， ，m s ( ” 因此可以得到输入电流的波形畸变因数k d 与总谐波畸变t h d 的关系如下： 髟2 丽1 ( 1 - 5 ) 当矿= 0 时，卵= k d 。此时，p f = - 7 兰妄 ( 1 - 6 ) 1 + ( t h d ) 2 式( 1 6 ) 成立的条件是仅当输入电压为正弦波，且输入电流的基波与输入 电压的相位差为零时。 在开关电源中，输入电流基波与输入电压波形基本上无相位差，基波电压 和基波电流的位移因数疋近似为1 。所以要提高开关电源的功率因数尸f 主要 是减小输入电流的谐波，即减小输入电流总谐波畸变t h d 。 总谐波含量t h d 对胛的影响关系图如图1 7 所示。 、 。 、 图1 7总谐波含量与功率因数的关系 当输入电流的基波与输入电压的相位差为零时，由式( 1 6 ) 可求得此时胛 与t h d 的关系如表1 - 4 所示。 由表1 4 可知，t h d 的指标能很好的衡量非线性电路的功率因数。例如当 t h d 在5 以内时，功率因数可控制在o 9 9 9 左右。 表1 4 当t h d 已知时p f 的计算值 t h d ( )p f 0 1 0 0 0 50 9 9 8 7 5 l o0 9 9 5 2 0o 9 8 1 3 00 9 5 8 4 0 0 9 2 8 5 0 0 8 9 4 1 3 4 改善功率因数的主要方法 1 ) 多脉冲整流法 多脉冲整流法的基本原理是利用变压器对各次谐波电流进行移相，使奇次 1 2 谐波在变压器次级相互叠加而抵消。这种方法在变压器负载平衡的情况下对减 小输入端的低次谐波是有效的。 2 ) 无源滤波器 这一方案是在图1 1 所示的电路的整流器与电容之间串联一个滤波电感， 或在交流侧接入谐振滤波器，与整流电路一起构成拓扑网络，通过增大电流的 导通角来提高功率因数。例如逐流技术，采用两个电容作为滤波电容，适当地 配合几只二极管，使两个电容串联充电、并联放电，以增大输入电流的导通角， 改善输入端的功率因数，但是其代价是直流母线上的电压大约是在输入电压的 最大值和二分之一电压最大值之问变化【4 1 。 其主要优点是：简单、成本低、可靠性高、电磁干扰e m i ( e l e c t r o n i cm a g n e t i c i n t e r r u p t i o n ) 小。主要缺点是：尺寸、重量大，难以得到很高的功率因数，一 般最多只能将p f 值提高到0 9 左右，同时，由于无源功率因数校正技术采用低 频电感和电容来进行谐波抑制，工作性能与频率、负载情况的变化及输入电压 的变化有关，并且电感和电容之间存在有大的充放电电流等，这将会影响 d c d c 变换器的工作性能。因此，无源功率因数校正技术比较适合于小功率及 对体积重量要求不高的场合。 3 ) 有源滤波器( 或称有源功率因数校f 器) 有源滤波器是在整流器和负载之间接入一个d c d c 开关变换器，应用电流 反馈技术，使输入端电流f ，的波形跟踪交流输入正弦电压波形，可以使f ，接近正 弦波且与交流输入电压同相位，从而使输入端的总谐波畸变t h d 小于5 ，而 功率因数可达到o 9 9 甚至接近l 。由于这个方案中使用了有源器件，故称为有 源功率因数校正( a c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ) ，简称a p f c 。 有源功率因数校正技术的主要优点是：可获得较高的功率因数，如 0 9 7 o 9 9 ，甚至接近1 ，t h d 小，可在较宽的输入电压范围( 如交流9 0 2 6 4 v ) 和宽频带下工作，体积、重量小，输出电压也可以保持稳定。其主要缺点是： 电路复杂，m t b f ( m e a nt i m eb e t w e e nf a i l u r e 平均无故障时间) 下降，成本高， e m i 高，效率较低【1 刀。 1 3 5 功率因数校正技术的发展状况 电力电子技术( p o w e re l e c t r o n i c s ) 作为一门新兴的技术，随着第一只晶闸 管的问世而产生，在短期内迅速发展和壮大，随着科学技术的发展，电力电子 技术又与现代控制理论、材料科学、。电机工程和微电子技术的许多领域密切相 关。它的迅猛发展为电工学科注入了新的活力，成为- 1 7 渗透到传统电工学科 的许多分支的一门综合性学科，并对传统电工学科提出了许多新的挑战。 随着电力电子装置在被同益广泛应用的同时，公共电网遭受污染、用电设 备所处的环境恶化、通信系统受到干扰，危害也越来越严重。在各种电力电子 装置中，整流装置所占的比例最大。目前，常用的整流电路几乎都采用晶闸管 相控整流电路或二极管整流电路，其中以三相桥式和单相桥式整流电路最多。 许多电力电子装置( 如u p s 、离线式开关变换器、荧光灯镇流器、传动装置等) 以及大量电子仪器输入级均为a c d c 整流，其输入电流成脉冲尖峰状并含有较 多的谐波成分，使得交流电网侧功率因数只有0 以0 7 左右，电流的总谐波畸变 t h d 很大。为减小电网的谐波污染，顺应“绿色电源 这样一个发展方向，国 际上己经制定了许多电磁兼容标准，如i e c 5 5 5 2 ，i e c 6 1 0 0 0 3 2 以及i e e e 5 1 9 ， i e c 5 5 5 4 等。而人们又正是通过运用电力电子技术来治理电力电子设备所产生 的污染的，如对各种有源功率因数校正装置a p f c ( a c t i v ep o w e rf a c t o r c o m e o r ) 、有源电力滤波器a p f ( a c t i v ep o w e rf i l t e r ) 、静止无功功率发生器 ( s t a t i cv a rg e n e r a t o r ) 的