有源功率因数校正技术原理及应用

1、收稿日期:20020719有源功率因数校正技术原理及应用APFC Technology Pr i nc iple and Appl ica tion朱方明ZHU Fangm ing余建刚YU J iangang(总参通信部驻宝鸡地区军代室宝鸡721006(总参三部12局上海200072(General Staff Signal m an m inistry Bao ji D elegate Secti on,Bao ji,721006,Ch ina(General Staff12th bureau3rd m inistry,Shanghai,200072,Ch ina摘要:介绍功率因数校正定义

2、、原理及A PFC控制方法,并进行实例分析。关键词:PFC;A PFC;U C3854目前国际上推行的IEC555-2,EN60555-2, IEEE-159等标准对电子生产厂家入网电气设备的电流谐波值进行了限制,因此,采用功率因素校准方法来实现“绿色能源”革命已势在必行。本文将简要介绍有关功率因数的概念及应用实例。1谐波电流对电网的危害脉冲状的输入电流,含有大量谐波,一方面使谐波噪声水平提高,同时在A C-DC整流电路的输入端必需增加滤波器,既贵,体积、重量又庞大、笨重。而且大量电流谐波分量倒流入电网,还会造成对电网的谐波“污染”。一方面产生“二次效应”,即电流流过线路阻抗造成谐波电压降,反

3、过来使电网电压(原来是正弦波也发生畸变;另一方面,会造成电路故障,使变电设备损坏。例如线路和配电变压器过热;谐波电流会引起电网L C谐振,或高次谐波电流流过电网的高压电容,使之过流、过热而爆炸;在三相电路中,中线流过三相三次谐波电流的叠加,使中线过流而损坏等等。所以对电子设备进行功率因素校正已成必然趋势。2功率因数的定义及校正原理功率因数P F(Pow er Facto r的定义是指:交流输入有功功率与输入视在功率之比值,其表达式为: P F=P实 P视=P (V RM S×I RM S=V R×I1co s (V R×I R=I1co s I R=co s式中,

4、V R是电网电压有效值,I R是电网电流有效值,I1是基波电流有效值,=I1 I R是电网电流交流失真因数(又称基波因数,co s是基波电压和基波电流的相移因数。因此,功率因数P F又可定义为失真因数与相移因数之乘积。假设输入电流无谐波时=1或I1= I R,故上式变为P F=co s。功率因数校正的基本原理,就是从电路上采取措施,使电源输入电流实现正弦波,并与输入电压保持同相。功率因数与电流总谐波失真度(T H D的关系为:P F失真=11+(T H D2其中:T H D=I22+I32+I n2+ I12即为所有谐波分量的总有效值和基波分量之商。正弦化是使其他谐波为零,即I R=I1,则失

5、真因数=I1 I R=1;同相位是使=00,即co s00=1。在电源输入级插进功率因数校正网络,通过适当的控制电路不断调节输入电流波形,使其逼近正弦波,并与输入的电网电压保持同相,这样就达到了功率因数校正的目的。3提高AC-DC电路输入端功率因数和减小输入电流谐波的两种主要方法311无源滤波器无源滤波器是在电路的整流器和电容之间串联一个滤波电感,或在交流侧接入谐振滤波器。其主要优点是:简单、成本低、可靠性高、E M I小。主要缺点是:尺寸、重量大,难以得到高功率因数(一般可提高到019左右,工作性能与频率、负载变化及输入电压有关,电感和电容间有大的充放电电流等。312有源滤波器(或称有源功率

6、因数校正器在整流器和负载之间接入一个DC-DC开关变换器,应用电流反馈技术,使输入端电流ii波形跟踪交流输入正弦电压波形,使电网输入端的电流波形逼近正弦波,并与输入的电网电压同相位。主要优点是:可得到较高的功率因数,T H D小,可在较宽输入电压04有源功率因数校正技术原理及应用范围和宽带下工作,体积、重量小,输出电压也可保持恒定。主要缺点是:电路复杂,M TB F (平均无故障时间下降,成本较高,效率会有所降低等。有源功率因数校正器已广泛应用A C -DC 开关电源,交流不间断电源(U PS 等领域。下面将主要介绍有源功率因数校正器原理及应用方法。4APFC (Active Power Fa

7、ctor Correction 方法介绍常用的控制A C -DC 开关变换器实现A PFC 的方法有2大类:乘法器控制;电压跟踪控制。下面将主要介绍乘法器控制的3种基本方法,即电流峰值控制、电流滞环控制以及平均电流控制法。411电流峰值控制电流峰值控制的输入电流波形如图1所示,开关管在恒定的时钟周期导通,当输入电流上升到基准电流时,开关管关断。取样电流来自开关电流或电感电流,可实现峰值电流控制的I C 有M L 4812,M L 4819等 。图1电流峰值控制的输入电流波形412电流滞环控制电流滞环控制的输入电流波形如图2所示,开关导通时电感流上升,上升到上限阀值时,滞环比较器输出低电平,开关

8、管关断,电感电流下降;下降到下限阀值时,滞环比较器输出高电平,开关管导通,电感电流上升,如此周而复始地工作,其中取样电流来自电感电流。413平均电流控制平均电流控制的输入电流波形如图3所示。平均电流控制将电感电流信号与锯齿波信号相加。当两信号之和超过基准电流时,开关管关断,当其和小于基准电流时,开关管导通。取样电流来自实际输入电流而不是开关电流。用于平均电流控制的I C 有U C 3854,T K 83854,M L 4821等。5UC 3854功率因数校正I C 介绍及其应用电路511U C 3854功率因数校正I C 工作原理U C 3854功率因数校正I C 是美国U n itrode

9、公司的产品,具有功率因数接近1,固定频率平均电流型控制和输入电压动态范围宽,具有欠压、过流保护功能,内含精度为1%的715V 基准电压,启动电流非常小等特点 。其内部结构图如图4所示 。图2电流滞环控制的输入电流波形图3平均电流控制的输入电流波形图4内部结构图1-Gnd ,接地端。2-PKLM T ,峰值限制端,接电流检测电阻的电压负端。3-CA O u t ,电流放大器CA 输出端。14现代电子技术2002年第10期总第141期计算机应用4-ISEN SE,电流检测端,内部接CA输入负端,外部经电阻接电流检测电阻的电压正端。5-M u lt O u t,乘法器输出端,即电流检测另一端,内部接

10、乘法 除法器输出端和CA输入正端,外部经电阻接电流检测电阻的电压负端。6-I A C,输入电流端,内部接乘法 除法器输入B。外部经电阻接整流输入电压的正端。7-VA O u t,电压放大器VA输出端,内部接乘法 除法器输入A,外部接RC反馈网络。8-V RM S,有效值电源电压端,内部经过平方器接乘法 除法器输入C,起前馈作用,其数值范围为1154177V。9-R EF,基准电压端,产生715V基准电压。10-ENA,起动端,通过逻辑电路控制基准电压、振荡器、软起动。11-V SEN SE,输出电压检测端,接电压放大器VA的输入负端。12-R SET,外接电阻R SET端,控制振荡器充电电流及

11、限制乘法 除法器最大输出。13-SS,软起动端。14-CT,外接电容CT端,CT为振荡器定时电容,产生振荡频率为:f=1125 R SETCT15-V CC,集成电路的供电电压端,额定值为22V。16-GT DRV,门极驱动端,通过电阻接功率M O S开关管门极,该端电位钳在15V。U C3854包含了采用平均电流型功率因数控制必须的全部功能,主要由电压放大器、模拟乘法器、电流放大器和定频脉宽调制器组成。此外还包含与功率M O SFET 兼容的栅极驱动器、715V电压基准、总线预测器、加载赋能比较器、欠压检测和过流比较器。其工作原理如下:输出直流电压经分压网络取样传感到11脚,输入到电压放大器

12、(该放大器的阀值电压为715V。为迫使A C输入电流跟随A C电压而变化,线路电流波形被取样后接到6脚。6脚的输入信号在乘法器中与电压放大器的输出相乘(即AB对电流控制回路产生一个参与信号。正比于整流电压的电压信号施加到8脚,并在I C内平方,在乘法器中作为除数。横跨电流传感电阻的电压接到4脚和5脚,使A C线路电流紧紧跟踪A C电压变化。这些I C 控制输入通过乘法器及放大器去触发I C内的定频脉宽调制器来控制开关管的通断及脉宽的大小,达到提高功率因数的目的。512U C3854功率因数校正器的应用图5是一种800W有源功率因数校正器的实用电路图 。图5实用电路图该电路经过实验及分析,在额定

13、电压和满负载情况下,与未加PFC电路相比,输入电流总谐波含量THD由7315%下降到414%,输入电压总谐波含量THD由318%下降到217%,功率因数PF由0165提高到0199,变换器效率达到9712%,电路性能符合IEC555-2要求。6结语A PFC在开关电源中运用日趋广泛,目前有很多高性能功率因数控制集成电路,如U C3855A B, U CC3858,M L4818,T K81854等,以及PF系列功率因数和谐波校正模块。通过选择使用功率因数控制电路,使电源真正实现“绿色电源”成为可能。参考文献1刘胜利1现代高频开关电源实用技术1北京:电子工业出版社,20012张占松,蔡宣三1开关电源的原理与设计1北京:电子工业出版社,19993侯振义,侯传教1U C3854功率因数校正I C及其应用设计1西安:电源技术应用,1998