开关电源功率因数校正电路原理ppt课件

1、西安赛维技术培训西安赛维技术培训开关电源功率因数校正原理开关电源功率因数校正原理 西安赛维培训资料新技术类 西安赛维 刘长军西安赛维技术培训西安赛维技术培训一、什么是功率因数补偿，什么是功率因数校正：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数的定义为有功功率与视在功率的比值功率要素补偿功率要素补偿: :这项技术主要是针对因具有感性负载的交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流用电器具的电压和电流不同相( (图图1)1)而引起的供电效率低下而引起的供电效率低下, ,提出的改良方法提出的改良方法( (由于感性负载的电流滞

2、后所加电压由于感性负载的电流滞后所加电压, ,电压和电电压和电流的相位不同流的相位不同, ,使供电线路的负担加重使供电线路的负担加重, ,导致供电线路效率下降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. .用用以调整该用电器具的电压、电流相位特性以调整该用电器具的电压、电流相位特性. .例如例如: :当时要求所运当时要求所运用的用的40W40W日光灯必需并联一个日光灯必需并联一个4.75F4.75F的电容器的电容器).).用电容器并联用电容器并联在感性负载的两端在感性负载的两端, ,利用电容上电流超前电压的特性

3、利用电容上电流超前电压的特性, ,用以补偿用以补偿电感上电流滞后电压的特性电感上电流滞后电压的特性, ,使总的特性接近于阻性使总的特性接近于阻性, ,从而改善从而改善效率低下的方法叫做功率因数补偿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电源电压与负载电流两者相位角的余弦函数值coscos表示表示) )。西安赛维技术培训西安赛维技术培训 图1 在具有感性负载中供电线路中电压和电流的波形西安赛维技术培训西安赛维技术培训 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

4、呈现容性.这就呵斥了交流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. 图图2 2 全波整流电压和全波整流电压和ACAC输入电流波形输入电流波形西安赛维技术培训西安赛维技术培训由于根据整流二极管的单导游电性,只需在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输入电压仍大体坚持正弦波波形,但AC输入电流却呈

5、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(180),整流二极管的导通角大大小于180,甚至只需3070.由于要保证负载功率的要求,在极窄的导通角期间,会产生极大的导通电流,使供电电路中的供电电流呈脉冲形状.它不仅降低了供电的效率,更为严重的是,它在供电线路容量缺乏或电路负载较大时,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任务(这就是电磁干扰EMI和电磁兼容EMC问题)。西安赛维技术培训西安赛维技术培训 图图3 3 正常供电电压波形和接入容性负载后电压波形畸变正常供电电压波形和接入

6、容性负载后电压波形畸变西安赛维技术培训西安赛维技术培训二、怎样进展功率因数校正：二、怎样进展功率因数校正：1、功率因数校正、功率因数校正:(PFC)我们目前运用的电视机我们目前运用的电视机,由于采用了高效的开关电源由于采用了高效的开关电源,而开关而开关电源内部电源输入部分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无一例外的采用了二极管全波整流及滤波电路电路,如图如图4A所示所示,其电压和电流波形如图其电压和电流波形如图4B所示。所示。图图4 4 全桥整流滤波电路及电压和电流波形图全桥整流滤波电路及电压和电流波形图西安赛维技术培训西安赛维技术培训 假设在整流滤波后不加滤波电路,仅

7、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根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展比较,所产生的电压差反响至PWM控制器.这个误差电压信号用来改动脉冲波宽度的大小.假设输出电压过高,脉冲波电压会减小,进而使输出电压降低,使输

8、出电压恢复至正常输出值. PFC电路就是利用这个方法,但是参与了一个电路,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响至PWM控制器.也就是说,当交流电压高时,PFC电路就从交流电源汲取较多的功率;反之,假设交流电压较低,那么吸收较少的功率,这样就可以抑制交流电流谐波的产生.西安赛维技术培训西安赛维技术培训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(容性负载)的用电器具,必需采用PFC措施,PFC分为有源PFC和无源PFC两种方式。2、无源PFC电路：不运用晶体

9、管等有源器件组成的校正电路,普通由二极管、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(适中选取电感量),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动摇,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.西安赛维技术培训西安赛维技术培训 图5 无源PFC电路西安赛维技术培训西安赛维技术培训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,可以运用在前期设计的无PFC功能的设备上,简单的添加一个适宜的电感(适中选取L和C的值),从而到达具有抑制

10、电流瞬时突变的目的.但是这种简单的低本钱的补救方法,输出纹波较大,滤波电容两端的直流电压也较低,电流畸变的校正及功率因数补偿的才干都很差,而且L的绕制及铁芯的质量控制不好,会对图像及伴音产生严重的干扰,只能是对于前期无PFC设备使之能进入市场的暂时措施。3、有源PFC电路的原理： 有源PFC电路那么有很好的效果,根本上可以完全消除电流波形的畸变,而且电压和电流的相位可以控制坚持一致,它根本上完全处理了功率因数、电磁兼容、电磁干扰的问题,但是电路非常的复杂.其根本思绪是在220V整流桥堆后去掉滤波电容(以消除因电容充电呵斥的电流波形畸变及相位变化),由一个“斩波电路把脉动的直流变成高频(约100

11、KHz)交流经过整流滤波后,其直流电压再向常规的PWM开关稳压电源供电,其过程是ACDCACDC。西安赛维技术培训西安赛维技术培训有源PFC电路的根本原理是在开关电源的整流电路和滤波电容之间添加一个DCDC的斩波电路,如图6所示(斩波电路等于附加一个开关电源). 图6 有源PFC电路西安赛维技术培训西安赛维技术培训 对于供电线路来说,该整流电路输出没有直接接滤波电容,所以其对于供电线路来说呈现的是纯阻性的负载,其电压和电流波形同相、相位一样.斩波电路的任务也类似于一个开关电源,所以说有源PFC开关电源就是一个双开关电源的开关电源电路,它是由斩波器(我们以后称它为:“PFC开关电源)和稳压开关电

12、源(我们以后称它为“PWM开关电源)组成的.4、斩波器部分:(PFC开关电源)整流二极管整流以后不加滤波电容器,把未经滤波的脉动正半周电压作为斩波器的供电电源,由于斩波器一连串做“开关任务脉动的正电压被“斩成图7所示的电流波形,其波形的特点：1电流波形是断续的,其包络线和电压波形一样,并且包络线和电压波形相位同相； 2由于斩波作用,半波脉动的直流电变成高频(由斩波频率决议,约 100KHz).西安赛维技术培训西安赛维技术培训黑色实线为电压波形红色虚线为电流包络波形红色虚线为电流包络波形图图7 7 斩波器输出的电压和电流波形图斩波器输出的电压和电流波形图西安赛维技术培训西安赛维技术培训3从外供电

13、总的看,该用电系统做到了交流电压和交流电流同相,并且电压波形和电流波形均符合正弦波形,既处理了功率因数补偿问题,也处理了电磁兼容(EMC)和电磁干扰(EMI)问题。该高频“交流电再经过整流二极管整流,并经过滤波变成直流电压(电源)向后级的PWM开关电源供电,该直流电压在某些资料上把它称为B+PFC(海信等离子TPW4211即是如此).斩波器输出的B+PFC电压普通高于原220V交流整流滤波后的+300V,其缘由是选用高电压、电感的线径小、线路压降小、滤波电容容量小、滤波效果好,对后级PWM开关管要求低等等诸多益处。 西安赛维技术培训西安赛维技术培训5 5、目前、目前PFCPFC开关电源部分开关

14、电源部分, ,起到开关作用的斩波管起到开关作用的斩波管(K)(K)有两种任有两种任务方式：务方式：1 1延续导通方式延续导通方式(CCM)(CCM)：开关管的任务频率一定开关管的任务频率一定, ,而导通的占空比而导通的占空比( (系数系数) )随被斩波电随被斩波电压的幅度变化而变化压的幅度变化而变化, ,如图如图8 8所示。所示。图中图中T1T1和和T2T2的位置的位置:T1:T1在被斩波电压在被斩波电压( (半个周期半个周期) )的低电压的低电压区区,T2,T2在被斩波电压的高电压区在被斩波电压的高电压区,T1(,T1(时间时间) )T2(T2(时间时间).).从图中可从图中可以看到以看到,

15、 ,一切的开关周期时间都相等一切的开关周期时间都相等, ,这阐明在被斩波电压的任这阐明在被斩波电压的任何幅度时何幅度时, ,斩波管的任务频率不变斩波管的任务频率不变. .从图从图8 8中可以看出中可以看出, ,在高电压在高电压区和低电压区区和低电压区, ,每个斩波周期内的占空比不同每个斩波周期内的占空比不同(T1(T1和和T2T2的时间一的时间一样样, ,而上升脉冲的宽度不同而上升脉冲的宽度不同),),被斩波电压为零时被斩波电压为零时( (无电压无电压),),斩波斩波频率依然不变频率依然不变, ,所以称为延续导通方式所以称为延续导通方式(CCM),(CCM),该种方式普通运用该种方式普通运用在

16、在250W250W2000W2000W的设备上。的设备上。西安赛维技术培训西安赛维技术培训 图8 延续导通方式(CCM)西安赛维技术培训西安赛维技术培训2 2不延续导通方式不延续导通方式(DCM)(DCM)：斩波开关管的任务频率随被斩波电压的大小变化斩波开关管的任务频率随被斩波电压的大小变化, ,每一个开每一个开关周期内关周期内“开、开、“关的时间相等关的时间相等, ,如图如图9 9所示所示.T1.T1和和T2T2时间不同时间不同, ,也反映随着电压幅度的变化其斩波频率也相应变化也反映随着电压幅度的变化其斩波频率也相应变化. .被斩波电压被斩波电压为为“零时零时, ,开关停顿开关停顿( (振荡

17、停顿振荡停顿),),所以称为不延续导通方式所以称为不延续导通方式(DCM),(DCM),即有输入电压斩波管任务即有输入电压斩波管任务, ,无输入电压斩波管不任务无输入电压斩波管不任务. .它它普通运用在普通运用在250250以下的小功率设备上以下的小功率设备上, ,例如例如: :海信海信TLM3277TLM3277液晶电液晶电视接纳机开关电源的视接纳机开关电源的PFCPFC部分即任务在部分即任务在DCMDCM方式方式 3 3临界导通方式临界导通方式(CRM)(CRM)或过渡方式或过渡方式(TCM)(TCM)：任务介于任务介于CCMCCM和和DCMDCM之间之间, ,任务更接近任务更接近DCMD

18、CM方式方式. .在上一个导通在上一个导通周期终了后周期终了后, ,下一个导通周期之前下一个导通周期之前, ,电感电流将衰减为零电感电流将衰减为零, ,而且频而且频率随着线路电压和负载的变化而变化。率随着线路电压和负载的变化而变化。优点优点: :廉价芯片、便于设计廉价芯片、便于设计, ,没有开关的导通损耗没有开关的导通损耗, ,升压二极管的升压二极管的选择并非决议性的；选择并非决议性的；缺陷缺陷: :由于频率变化由于频率变化, ,存在潜在的存在潜在的EMIEMI问题问题, ,需求一个设计准确的需求一个设计准确的输入滤波器。输入滤波器。西安赛维技术培训西安赛维技术培训 图9 不延续导通方式(DCM)西安赛维技术培训西安赛维技术培训 6、开关稳压电源部分:(PWM开关电源)该开关稳压电源(PWM)是整个具有PFC功能开关电源的一部分,其任务原理及稳压性能和普通的电视机开关稳压电源一样,所不同的是普通开关稳压电源供电是由交流220V整流供电,而此开关电源供电是由B+PFC供电(B+PFC选取的