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[资料] 功率因数校正在离线式电源中的应用
2019-10-12 14:14:44  555 开关电源
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离线式开关电源通常应用整流桥和输入滤波电容从输入吸收能量,大电容在接近交流输入峰值处充电以给为逆变提供能量的未经调整的 BUS 提供能量。电容的容量必须足够大,当整流后半期内线电压低于 BUS 电压时,仅由它向后续提供能量。不幸的是,有输入滤波电容会导致输入电流波形不在是正弦,而是一很窄的峰值很高的电流波形,输入功率仅有 0.5~0.65 ,严重的畸变导致电网污染。线电流有效值可达两倍相同正弦电流有效值。 120V , 15A 的线路甚至不能在不导致电路断路器动作时提供 1Kwde 输入功率。而高功率因数校正却能够提供几乎是其两倍的功率,并且损耗很低,因此在许多领域内,高功率因数校正器成为一需求。
本文所述的高 PFC 放置于输入整流和 BUS 电容之间,工作频率远大于线电压频率,校正器吸收正弦半波输入电流,相位与线电压相位相同通过 BUS 直流电压与参考电压的比较控制电流。
结果是:
1、 改善功率因数到 0.95~0.99 。
2、 较少谐波(如果需要可〈 3% 〉。
3、 无间断运行于 90~270V 线电压范围。
4、 严格控制 BUS 电容,使其电压波动范围很小,允许逆变器的低成本,高效设计。
5、 减小滤波电容,降低了成本。
6、 减小充电电流有效值,提高电容可靠性。
基本运行原理:
本文假定 PFC 工作频率为 fs=100khz ,电网频率为 60hz ,校正器吸收随正弦半波电压成正比变化的电流以获得功率因数接近 1 的输入。因此在整流桥输入端电流与电压同相位。当然,这只是用纯电阻负载。拥有这种功能的校正电路叫做“电阻竞争者”。
输入电流控制通过乘法器,让表征整流输入线电压波形的正弦半波与控制电压相乘,得到 VERR , VERR 在每个半波内必须恒定,因此可以控制 VERR 来控制 RMS 输入电流,以控制每半个周期从电网吸收的能量。 VERR 代表 VDC 与参考电压的偏差,经放大转变成误差放大器的输出。当 VDC 低时, VERR 变大,增大输入功率以弥补滤波电容上能量的损失。
功率变换:尽管校正器输入电流波形时正弦波,但它的输出电流 ichg 是个正弦的平方的函数, 通过思考校正器的输入 / 输出功率而非输入 / 输出电压可以得到各个运行参数。假定为高输入功率因数校正,其频率远大于工频,在校正器上储存和消耗的能量忽略不计(电感储存的能量在每个开关周期上通常大于其传递的能量,但是在每工频半周期内可以忽略)。因此输入与输出功率相等。
BOOST 电路:
最常用的 HPFC 电路,输出必须总大于输入暂态值。输入电流不需要关断,由于电感的存在很小,减小了线路污染和 EMI ,另外线路的 SPIKE 被电感吸收,增加了系统可靠性。
电流连续模式下,输入电感使电流控制模式得以很好应用以控制输入电流正弦(电流控制实际市控制电感电流)。
晶体的位置使得其容易驱动,因为 S 和 E 极参考控制电路和电容的共同端。晶体最大电压为电容电压。
其最大的缺点是不能限流,因为其在输入和输出间没有串联开关。不能控制过载和启动过电流,只有通过后续逆变部分提供保护。
还有,当输入电压比输出电压高的时候,其不起作用,这种情况发生在每次供电设备开机和线电压足够长时间的紊乱的时候。软启动没有作用,因为在这种情况下 BOOST 电路不运行。晶体一直关断,但是输入电流将上升,其峰值将大于几倍额定电流值,导致电感饱和,除非另加限流电路。
必须加入斜坡补偿,以防止在 D 大于 0.5 ( VIN 〈 VDC/2 〉 时系统不稳定。因为电感电流随输入电压变化,所以斜坡补偿很难控制,这个问题可以通过降低电流内环带宽避免,以致电感电流平均值被直接控制,而不是截取峰值电流。因为开关频率远大于电网频率,所以有很大的空间去控制电流环的带宽。
不连续的电感电流模式不能用在 HPFC 电路中,因为在峰值输入电压处电感电流下降很窄,因此纹波电流很小。但是在 HPFC 在输入电压峰值处,线电流也在其峰值处。拥有高峰值电流低纹波,电感电流必须连续。
BUCK 电路
由于 BUCK 电路要求输入总大于输出,所以其不用在 HPFC 中。在输入电流为正弦半波时候,当其变化的电压数值小于 BUS 电压时,其停止工作。虽然如此,但是 BUCK 拓扑在做限流时非常有用(母线有开关管),其可以作为 BOOST 的一个补充。

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