PFC基础_V1.0ppt课件

1、PFC基础知识交流,龙龙 2009-03-13,1,培训目标,了解PFC电路的基本原理及应用 理解PFC控制及保护电路的工作原理 能够独立分析工作中遇到的PFC相关问题,2,目录,PFC基础知识 PFC电路概述及其主要工作原理 PFC控制电路原理 PFC电压检测及过欠压保护电路 PFC电流检测及过流保护电路 典型案例分析及提问,3,PFC基础知识,第一部分：,4,PFC基础知识,1. 名词解释 在学习PFC电路的工作原理之前，我们先了解一下什么是PFC。 PFC（Power Factor Correction）功率因数校正 PF就是“功率因数”的意思，主要用来表征电子产品对电能的利用效率。功率

2、因数越高，说明电能的利用效率越高。 功率因数可简单地定义为有功功率（P）与视在功率（S）之比， 即 其中有功功率是一个周期内电流和电压瞬时值乘积的平均值，而视在功率是电流的有效值与电压的有效值的乘积。 效率就是输出功率除以输入功率的百分比。电源在工作过程中，有部分电能转换成热量损耗掉了。因此，电源必须尽量减少热量的损耗。 尽管功率因数和转换效率都是指电源的利用率，但区别却很大。简单的说，功率因数产生的损耗是电力部门负担，而转换效率的损耗是用户自己负担。可以看得出来，功率因数、EMI等都是对国家电网的保护。,5,2. PFC电路的作用 a. 谐波的概念 我们为什么在我们的电源中要增加PFC电路，

3、不加PFC电路会有什么后果。在了解这些之前，我们需要先知道另一个概念谐波。 从220V交流电网经整流供给直流，是当今电力电子技术中应用最为广泛的一种基本变流方式。输入电路通常由半波或全波整流器和后面的储能电容组成，如图1-1。 整流器+滤波电容是一种非线性的元件组合，因此，开关电源对于电网表现为非线性负载。而当工频电压或电流作用于非线性负载时，就会产生不同于工频的其它频率的正弦电压或电流，如图1-2。 这些不同于工频频率的正弦电压或电流，用傅立叶级数展开，就是人们称的电力谐波，如图1-3。,PFC基础知识,图1-1,图1-2,图1-3,6,b. 谐波的危害 理想的公用电网所提供的电压应该是单一

4、而固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化。近三四十年来，各种电力电子装置的迅速发展使得公用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性才引起人们高度的关注。谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面。 （1）谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。 （2）谐波影响各种电气设备的正常工作。 谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过

5、热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。 （3）谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使得上述（1）和（2）的危害大大增加，甚至引起严重事故。 （4）谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。 （5）谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致住处丢失，使通信系统无法正常工作。 正因为谐波有这么多的危害，所以我们必须要对谐波进行抑制，这样，就引出了我们PFC电路的主要作用谐波抑制。,PFC基础知识,7,c. 谐波的抑制 为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条：一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种

6、谐波源都是适用的；另一条是对电力电子装置本身进行改造，使期不产生谐波，且功率因数可控制为1，这当然只适用于作为主要谐波源的电力电子装置。 装设谐波补偿装置的传统方法就是采用LC调谐滤波器。这种方法既可补偿谐波，又可补偿无功功率，而且结构简单，一直被广泛使用。这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使LC滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不甚理想。 对于电源产品来说，目前使用最广泛的方式，就是对电源本身进行改造，在输入端增加有谐波改善功能的电路就是所谓的PFC电路。 所以简单来说，PFC电路的作用就是减少电源产生的谐波

7、，使电源的功率因数尽可能靠近1。 那么，生活中究竟有没有功率因数为1的用电设备呢？,PFC基础知识,8,3. PFC主要的实现方法 之前我们曾经提到，功率因数可以定义为有功功率（P）与视在功率（S）之比。 在线性电路中，阻抗Z=R+jX。其中，R为电阻，X为电抗。无论是感抗或容抗，均会使正弦电压和电流波形产生相位差，但电压、电流均为正弦波。所以在线性电路中，功率因数描述了负载的电抗特性，其定义为 其中， 是正弦电流波形相对于电压波形的相位差。当负载为纯阻性时，电压与电流波形同相，此时PF=1。 而在非线性电路中，当电源电压为正弦波时，输入电流波形发生正弦畸变，导致功率因数很低，简单的相移功率因

8、数已经不能正确反映这种关系，因为非线性负载的功率因数与电流波形的失真情况紧密相关。为此，非线性负载的功率因数定义为 式中 为输入电压有效值， 为输入电流有效值， 为基波电流有效值 为基波电流与基波电压的相移因数， r表示输入电流失真系数,PFC基础知识,9,由功率因数 可知，要提高功率因数，有两个途径： 1.使输入电压、输入电流同相位。此时 ，所以 ； 2.使输入电流正弦化。即 （谐波为零），有 ，即 。 利用功率因数校正技术可以使交流输入电流波形完全跟踪交流输入电压波形，使得输入电流波形呈纯正弦波，并且和输入电压同相位，此时整流器的负载可等效为纯电阻，所以有的地方又把功率因数校正电路叫做电阻

9、仿真器。 接下来的章节，我们就将围绕这两种提高功率因数的途径展开讨论。,PFC基础知识,10,PFC电路概述及其主要工作原理,第二部分：,11,整流模块工作原理框图,PFC电路概述及其主要工作原理,图2-1 整流模块工作原理框图,12,1. PFC电路的分类 分类简图,PFC电路概述及其主要工作原理,图2-2 PFC电路分类,13,2. 无源PFC电路原理及应用 从上面的分类图中我们可以看到，PFC电路根据工作方式可分为两大类，即无源PFC电路（也称被动式PFC电路）和有源PFC电路（也称主动式PFC电路）。 无源PFC电路一般采用电感补偿方法，使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小，来提高

10、功率因数。在交流电源进线，或整流桥与滤波电容之间直接串联电感，同时改造开关电路的校正，一般在高压滤波电容附近，是一个较大的式频电感，它最大好处就是所需线路简单，生产成本较低。,PFC电路概述及其主要工作原理,图2-3 无源PFC典型应用电路,14,图2-3显示了带无源PFC的计算机电源的输入电路。注意连接到PFC电感中心抽头的线路电压范围开关。在230V位置上（开关断开）电感线圈的两半都使用，整流器为全桥。在115V 位置只使用左半电感和整流桥的左半部分，电路为半波倍压模式。如为230Vac 输入的全波整流器，则在整流器的输出端将产生325Vdc。这个325Vdc 总线当然是没有稳压的，随着输

11、入线路电压而上下变动。 尽管它的特点是简单，无源PFC电路仍有一些缺点。首先，巨大的电感限制了它在许多应用中的实用性。其次，如上所述，为了能在全球范围内使用，需要一个线路电压范围开关。增加该开关会增大因操作者错误（比如开关位置选择错误）而给电器/系统带来的风险。最后，被动式PFC的能源转换效率不高，容易产生工频震动和噪音等问题。,PFC电路概述及其主要工作原理,15,3. 有源PFC电路原理及其控制方法 有源PFC是由电感电容及电子元器件组成的，通过专用IC芯片去调整电流的波形，对电流电压间的相位差进行补偿。具体做法是在输入整流桥与滤波电容之间插入一个开关变换器线圈，以控制输入电流的波形跟随电

12、网电压波形，使电源呈现阻性。,PFC电路概述及其主要工作原理,图2-4 典型APFC电路框图,16,图2-4是一个典型的有源PFC电路模型，其基本工作原理如下：主电路的输出电压Vo和基准电压Vref比较后，输入给电压误差放大器A；整流电压Vin检测值Vf和电压误差放大器A的输出信号Ve共同加到乘法器M的输入端；乘法器的输出Iref则作为电流反馈控制的基准信号，与输入电流采样值If比较后，经过电流误差放大器加到PWM控制芯片及驱动器，用来控制主MOS管的通断。校正后的电流电压波形如下图所示： 主动式PFC可以达到0.99以上的功率因数，但其线路设计比被动式PFC复杂，成本也相对高。采用主动式PF

13、C电路的电源不必采用很大容量的滤波电容，产品输出也十分稳定，适应电压非常宽。此外，主动式PFC还可用作辅助电源，因此在使用主动式PFC电路中，往往不需要待机变压器，而且主动式PFC还拥有稳定性佳、工频震动小，噪音低等优点。,PFC电路概述及其主要工作原理,图2-5 经有源PFC校正后的电流电压波形,17,有源功率因数按照其电路结构和输入电流控制原理不同，又可进一步细分： 1 按有源功率因数校正电路结构分 （1）降压式：因噪声大，滤波困难，功率开关管上电压应力大，控制驱动电平浮动，很少被采用。 （2）升/降压式：需用二个功率开关管，有一个功率开关管的驱动信号浮动，电路复杂，较少采用。 （3）反激

14、式：输出与输入隔离，输出电压可以任意选择，采用简单电压型控制，适用于150W以下功率的应用场合。 （4）升压式（boost）：简单电流型控制，PF值高，总谐波失真（THD）小，效率高，但是输出电压高于输入电压。适用于75W2000W功率范围的应用场合，应用最为广泛。它具有以下优点： 1电路中的电感L适用于电流型控制。 2由于升压型APFC的预调整作用在输出电容器C上保持高电压，所以电容器C体积小、储能大。 3在整个交流输入电压变化范围内能保持很高的功率因数。 4输入电流连续，并且在APFC开关瞬间输入电流小，易于EMI滤波。 5升压电感L能阻止快速的电压、电流瞬变，提高了电路工作可靠性。,PF

15、C电路概述及其主要工作原理,18,2按输入电流的控制原理分 （1）峰值电流型。 峰值电流控制PFC中的峰值电流控制和DCDC变换器中的峰值电流控制原理相同，只是电流环的给定信号不再是直流而是按正弦规律变化。开关管开通时，电感电流上升，当到达给定电流值时，开关管关断，电流下降，下一个时钟周期到来时，开关管再次开通，这样，电感电流峰值按给定的正弦规律变化，电感电流波形如图2-6所示。 峰值电流控制的特点： 1)峰值电流控制下电流峰值和平均值之间存在误差， 无法满足THD(总谐波畸变)很小的要求； 2)电流峰值对噪声敏感； 3)占空比大于05时系统产生次谐波振荡； 4)需要在比较器输入端加斜坡补偿函

16、数。,PFC电路概述及其主要工作原理,图2-6 峰值电流控制型电感电流波形,19,（2）滞环电流型。 滞环电流控制滞环电流控制最初用于电压型逆变器中控制输出交流电流，后来也应用到整流器中控制输入，对Boost型PFC电路而言它是最简单的电流控制方式。滞环电流控制的原理是：电流给定信号和滞环宽度决定电感电流的上限Imax与下限Imin，当电感电流上升到Imax时，功率管断开，电感电流下降到Imin时，功率管导通，如此反复，电感电流在滞环宽度内变化，电流波形如图2-7所示。滞环控制中没有外加的调制信号，电流反馈控制和调制集于一体，可以获得很宽的电流频带宽度。 滞环电流控制的特点： 1)控制简单、电

17、流动态响应快、内在的电流限流能力强； 2)开关频率随占空比变化，在一个工频周期中不恒定， 引起EMI问题和电流过零点的死区； 3)负载对开关频率影响很大，滤波器设计只能按最低频 率设计； 4)滞环宽度对开关频率和系统性能影响较大，需合理选取。,PFC电路概述及其主要工作原理,图2-7 滞环电流控制型电感电流波形,20,（3）平均电流型 平均电流控制平均电流控制是在峰值电流控制的基础上发展起来的，它在乘法器输出与比较器之间增加了一个电流调节器，电流调节器控制输入电流平均值，使其与电流给定信号波形相同。由于电流环有较高的增益带宽，跟踪误差小、瞬态特性较好。图2-8示出电感电流波形。平均电流控制的特

18、点是：THD和EMI(电磁干扰)小、对噪声不敏感、适用于大功率应用场合，是目前PFC中应用最多的一种控制方式。 这种控制方式的优点是： 1恒频控制。 2工作在电感电流连续状态，开关管电流有效值小、EMI滤波器体积小。 3能抑制开关噪声。 4输入电流波形失真小。 主要缺点是： 1控制电路复杂。 2需用乘法器和除法器。 3需检测电感电流。 4需电流控制环路。 UC3854是一种工作于平均电流的的升压型（boost）APFC电路，它的峰值开关电流近似等于输入电流，是目前使用最广泛的APFC电路。,PFC电路概述及其主要工作原理,图2-8 峰值电流控制型电感电流波形,21,PFC控制电路原理,第三部分

19、：,22,为便于进行有源功率因数校正和控制，现在的PFC控制电路已经集成化。有多种PFC集成控制电路芯片可供设计、研究人员选用。下面以常见的美国TI公司生产的APFC用集成电路UC3854为例，介绍PFC控制电路的原理及典型应用电路。,PFC控制电路原理,23,1. UC3854介绍 1.1 UC3854（PWM控制器-UC3854B-固频ACM型-CCM PFC输出-DIP16-ROHS）是一种经典的高功率因数校正器集成控制芯片。其特点是：可以控制AC-DC Boost PWM变换器的输入端功率因数接近于1；限制输入电流的THD小于3%；采用平均电流控制方法；恒频控制；电流放大器的频带较宽（

20、5MHz）等。其内部结构框图如图3-1。,PFC控制电路原理,图3-1 UC3854内部工作框图,24,由图可见，UC3854芯片有16个引脚，内部主要由电压误差放大器VA、模拟乘法/除法器M 、电流误差放大器CA、PWM比较器以及RS触发器组成，另外还包括三角波振荡器、功率MOS管的门极驱动器、 7.5V基准电压（1%误差），以及软起动、输入电压前馈、输入电压钳位、欠压比较器、过流比较器等。 其主要性能为：适用于Boost型电路，单信号输出；输出驱动电压14.5V，输出驱动电流1A；开关频率恒定，最高为200kHz；最大占空比为95。适用于CCM 工作模式，平均电流控制。该芯片还有软起动、输

21、入电源欠压保护以及输出过载保护等功能。基于UC3854的Boost PFC电路具有高稳定性和低失真、低噪声灵敏度的特点。 模拟乘法/除法器的输出信号 作为基准电流，它与乘法器的输入电流 （约 ，取自输入电压，故与输入电压瞬时值成比例）的关系为： 式中 为电压放大器的输出信号， 约为1.5 4.77V，由APFC的输入电压经分压后提供，K=-1为比例系数。从 中减去1.5V是芯片设计的要求。图中平方器和除法器（除以 ）起了电压前馈（feedforward）的作用，使输入电压变化时输入功率稳定。,PFC控制电路原理,25,1.2 UC3854引脚功能,PFC控制电路原理,26,表3-1 UC385

22、4引脚功能,PFC控制电路原理,27,2. UC3854中的前馈作用 UC3854的应用电路框图如图3-2所示。,PFC控制电路原理,图3-2 UC3854电路框图,28,在APFC电路中，整流桥后面的滤波电容器移到了整个电路的输出端，这是因为Vin应保持半正弦的波形，而Vout需要保持稳定。 从图3-1所示的UC3854工作框图中可以看到，它有一个乘法器和除法器，它的输出为 ，而C为前馈电压Vs的平方，之所以要除C是为了保证在高功率因数的条件下，使APFC的输入功率Pi不随输入电压Vin的变化而变化。 工作原理分析、推导如下： 乘法器的输出为 式中：Km表示乘法器的增益因子。 Kin表示输入

23、脉动电压缩小的比例因子。 电流控制环按照Vin和电流检测电阻Ro建立了Iin。 Ki表示Vin的衰减倍数 将式（3）代入式（4）后有,PFC控制电路原理,29,如果PF=1 效率=1有 由（6）可知：当Ve固定时，Pi、Po将随Vin的变化而变化。而如果利用除法器，将Vin除以一个 可见在保证提高功率因数的前提下，Ve恒定情况下，Pi、Po不随Vin的变化而变化。即通过输入电压前馈技术和乘法器、除法器后，可以使控制电路的环路增益不受输入电压Vin变化的影响，容易实现全输入电压范围内的正常工作，并可使整个电路具有良好的动态响应和负载调整特性。 在实际应用中需要加以注意：前馈电压中任何100 Hz纹波进入乘法器都会和电压误差放大器中的纹波叠加在一起，不但会增加波形失真，而且还会影响功率因数的提高。 前馈电路中前馈电容Cf的取值大小也会影响功率因数。如果Cf太小，则功率因数会降低，而Cf过大，前馈延迟又较大。当电网电压变化剧烈时，会造成输出电压的过冲或欠冲，所以Cf 的取值应折中考虑。,PFC控制电路原理,30,3. 基于UC3854的Boost PFC工作原理 输出反馈电压与参考电压经电压误差放大器A后输出电