淺析有源功率因數(shù)校正技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)
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O 引言
傳統(tǒng)的用于電子設(shè)備前端的二極管整流器,作為一個(gè)諧波電流源,干擾電網(wǎng)線電壓,產(chǎn)生向四周輻射和沿導(dǎo)線傳播的電磁干擾,導(dǎo)致電源的利用效率下降。近幾年來,為了符合國(guó)際電工委員會(huì)61000-3-2的諧波準(zhǔn)則,功率因數(shù)校正電路正越來越引起人們的注意。功率因數(shù)校正技術(shù)從早期的無源電路發(fā)展到現(xiàn)在的有源電路;從傳統(tǒng)的線性控制方法發(fā)展到非線性控制方法,新的拓?fù)浜图夹g(shù)不斷涌現(xiàn)。本文歸納和總結(jié)了現(xiàn)在有源功率因數(shù)校正的主要技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)。
1 功率因數(shù)(PF)的定義
功率因數(shù)(PF)是指交流輸入有功功率(P)與輸入視在功率(S)的比值。即
式中:I1為輸入基波電流有效值;
為輸入電流失真系數(shù);
Irms為輸入電流有效值;
cosφ為基波電壓與基波電流之間的相移因數(shù)。
可見PF由γ和cosφ決定。cosφ低,則表示用電電器設(shè)備的無功功率大,設(shè)備利用率低,導(dǎo)線、變壓器繞組損耗大。γ值低,則表示輸入電流諧波分量大,對(duì)電網(wǎng)造成污染,嚴(yán)重時(shí),對(duì)三相四線制供電還會(huì)造成中線電位偏移,致使用電電器設(shè)備損壞。由于常規(guī)整流裝置使用晶閘管或二極管,整流器件的導(dǎo)通角遠(yuǎn)小于180°,從而產(chǎn)生大量諧波電流成分,而諧波電流不做功,只有基波電流做功,功率因數(shù)很低。全橋整流器電壓和電流波形圖如圖1所示。
2 功率因數(shù)校正實(shí)現(xiàn)方法
由式(1)可知,要提高功率因數(shù)有兩個(gè)途徑,即使輸入電壓、輸入電流同相位;使輸入電流正弦化。
利用功率因數(shù)校正技術(shù)可以使交流輸入電流波形完全跟蹤交流輸入電壓波形,使輸入電流波形呈純正弦波,并且和輸入電壓同相位,此時(shí)整流器的負(fù)載可等效為純電阻。
功率因數(shù)校正電路分為有源和無源兩類。無源校正電路通常由大容量的電感、電容組成。雖然無源功率因數(shù)校正電路得到的功率因數(shù)不如有源功率因數(shù)校正電路高,但仍然可以使功率因數(shù)提高到o.7~0.8,因而在中小功率電源中被廣泛采用。有源功率因數(shù)校正電路自上世紀(jì)90年代以來得到了迅速推廣。它是在橋式整流器與輸出電容濾波器之間加入一個(gè)功率變換電路,使功率因數(shù)接近1.有源功率因數(shù)校正電路工作于高頻開關(guān)狀態(tài),體積小、重量輕,比無源功率因數(shù)校正電路效率高。本文主要討論有源功率因數(shù)校正方法。
3 有源功率因數(shù)校正方法分類
3.l 按有源功率因數(shù)校正拓?fù)浞诸?br />
3.1.1 降壓式
因噪聲大,濾波困難,功率開關(guān)管上電壓應(yīng)力大,控制驅(qū)動(dòng)電平浮動(dòng),很少被采用。
3.1.2 升/降壓式
須用二個(gè)功率開關(guān)管,有一個(gè)功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)浮動(dòng),電路復(fù)雜,較少采用。
3.1.3 反激式
輸出與輸入隔離,輸出電壓可以任意選擇,采用簡(jiǎn)單電壓型控制,適用于150W以下功率的應(yīng)用場(chǎng)合。典型電路如圖2所示。
3.1.4 升壓式(Boost)
簡(jiǎn)單電流型控制,戶F值高,總諧波失真(THD)小,效率高,但是輸出電壓高于輸入電壓。典型電路如圖3所示。適用于75~2000W功率范圍的應(yīng)用場(chǎng)合,應(yīng)用最為廣泛。它具有以下優(yōu)點(diǎn):電路中的電感L適用于電流型控制;由于升壓型APFC的預(yù)調(diào)整作用在輸出電容器C上保持高電壓,所以電容器C體積小、儲(chǔ)能大;在整個(gè)交流輸入電壓變化范圍內(nèi)能保持很高的功率因數(shù);當(dāng)輸入電流連續(xù)時(shí),易于EMI濾波;升壓電感L能阻止快速的電壓、電流瞬變,提高了電路工作可靠性。
3.2 按輸入電流的控制原理分類
3.2.1 平均電流型
工作頻率固定,輸入電流連續(xù)(CCM),波形圖如圖4(a)所示。TI公司的UC3854就工作在平均電流控制方式。
這種控制力式的優(yōu)點(diǎn)是:恒頻控制;工作在電感電流連續(xù)狀態(tài),開關(guān)管電流有效值小、EMI濾波器體積??;能抑制開關(guān)噪聲;輸入電流波形失真小。
主要缺點(diǎn)是:控制電路復(fù)雜,須用乘法器和除法器,需檢測(cè)電感電流,需電流控制環(huán)路。
3.2.2 滯后電流型
工作頻率可變,電流達(dá)到滯后帶內(nèi)發(fā)生功率開關(guān)通與斷操作,使輸入電流上升、下降。電流波形平均值取決于電感輸入電流,波形圖如圖4(b)所示。
3.2.3 峰值電流型
工作頻率變化,電流不連續(xù)(DCM),波形圖如圖4(c)所示。DCM采用跟隨器方法具有電路簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn),似存在以下缺點(diǎn):PF和輸入電壓Vin與輸出電壓V0的比值有關(guān),即當(dāng)Vin變化吋,PF值也將發(fā)生變化,同時(shí)輸入電流波形隨Vin/Vo的值的加大而使THD變大;開關(guān)管的峰值電流大(在相同容量情況下,DCM中通過開關(guān)器件的峰值電流為CCM的2倍),從而導(dǎo)致開關(guān)管損耗增加。所以在大功率APFC電路中,常采用CCM方式。
3.2.4 電壓控制型
工作頻率固定,電流不連續(xù),采用固定占空比的方法,電流自動(dòng)跟隨電壓。這種控制方法一般用在輸出功率比較小的場(chǎng)合,另外在單級(jí)功率因數(shù)校正中多采用這種方法,后面會(huì)介紹。波形圖如圖4(d)所示。
3.3 其他控制方法
3.3.1 非線性載波控制技術(shù)
非線性載波控制(NLC)不需要采樣電壓,內(nèi)部電路作為乘法器,即載波發(fā)生器為電流控制環(huán)產(chǎn)生時(shí)變參考信號(hào)。這種控制方法工作在CCM模式,可用于Flyback,Cuk,Boost等拓?fù)渲?,其調(diào)制方式有脈沖前沿調(diào)制和脈沖后沿調(diào)制。
3.3.2 單周期控制技術(shù)
單周期控制原理圖如圖5所示,是一種非線性控制技術(shù)。該控制方法的突出特點(diǎn)是,無論是穩(wěn)態(tài)還是暫態(tài),它都能保持受控量(通常為斬波波形)的平均值恰好等于或正比于給定值,即能在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi),有效地抑制電源側(cè)的擾動(dòng),既沒有穩(wěn)態(tài)誤差,也沒有暫態(tài)誤差,這種控制技術(shù)可廣泛應(yīng)用于非線性系統(tǒng)的場(chǎng)合,不必考慮電流模式控制中的人為補(bǔ)償。
3.3.3 電荷泵控制技術(shù)
利用電流互感器檢測(cè)開關(guān)管的開通電流,并給檢測(cè)電容充電,當(dāng)充電電壓達(dá)到控制電壓時(shí)關(guān)閉開關(guān)管,并同時(shí)放掉檢測(cè)電容上的電壓,直到下一個(gè)時(shí)鐘脈沖到來使開關(guān)管再次開通,控制電壓與電網(wǎng)輸入電壓同相位,并按正弦規(guī)律變化。由于控制信號(hào)實(shí)際為開關(guān)電流在一個(gè)周期內(nèi)的總電荷,因此稱為電荷控制方式
4 功率因數(shù)校正技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
4.1 兩級(jí)功率因數(shù)校正技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
目前研究的兩級(jí)功率因數(shù)校正,一般都是指Boost PFC前置級(jí)和后隨DC/DC功率變換級(jí)。如圖6所示。對(duì)Boost PFC前置級(jí)研究的熱點(diǎn)有兩個(gè),一是功率電路進(jìn)一步完善,二是控制簡(jiǎn)單化。如果工作在PWM硬開關(guān)狀態(tài)下,MOSFET的開通損耗和二極管的反向恢復(fù)損耗都會(huì)相當(dāng)大,因此,最大的問題是如何消除這兩個(gè)損耗,相應(yīng)就有許多關(guān)于軟開關(guān)Boost變換器理論的研究,現(xiàn)在具有代表性的有兩種技術(shù),一是有源軟開關(guān),二是無源軟開關(guān)即無源無損吸收網(wǎng)絡(luò)。
有源軟開關(guān)采用附加的一些輔助開關(guān)管和一些無源的電感電容以及二極管,通過控制主開關(guān)管和輔助開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)序來實(shí)現(xiàn)ZVS或者ZCS.比較成熟的有ZVT—Boost,ZVS—Boost,ZCS—Boost電路等。雖然有源軟開關(guān)能有效地解決主開關(guān)管的軟開關(guān)問題,但輔助開關(guān)管往往仍然是硬開關(guān),仍然會(huì)產(chǎn)生很大損耗,再加上復(fù)雜的時(shí)序控制,使變換器的成本增加,可靠性降低。
無源無損吸收則是采用無源元件來減小MOSFET的dv/dt和二極管的dv/dt,從而減小開通損耗和反向恢復(fù)損耗。它的成本低廉,不需要復(fù)雜的控制,可靠性較高。
除了軟開關(guān)的研究之外,另一個(gè)人們關(guān)心的研究方向是控制技術(shù)。曰前最為常用的控制方法是平均電流控制,CCM/DCM臨界控制和滯后控制3種方法。但是新的控制方法不斷出現(xiàn),其中大部分是非線性控制方法,比如非線性載波技術(shù)和單周期控制技術(shù)。這些控制技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是使電路的復(fù)雜程度大大降低,可靠性增強(qiáng)?,F(xiàn)在商業(yè)化的非線性控制芯片有英飛凌公司的一種新的CCM的PFC控制器,被命名為ICElPCSOI,是基于一種新的控制方案開發(fā)出來的。與傳統(tǒng)的PFC解決方案比較,這種新的集成芯片(IC)無需直接來自交流電源的正弦波參考信號(hào)。該芯片采用了電流平均值控制方法,使得功率因數(shù)可以達(dá)到1.另外,還有IR公司的IRIS51XX系列,基于單周期控制原理,不需要采集輸入電壓,外圍電路簡(jiǎn)單。
最后,怎樣提高功率因數(shù)校正器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)是當(dāng)前擺在我們面前的一個(gè)難題。
4.2 單級(jí)功率因數(shù)校正技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
在20世紀(jì)90年代初提出了單級(jí)功率因數(shù)校正器,主要是將PFC級(jí)和DC/DC變換級(jí)集成在一起,兩級(jí)共用開關(guān)管。如圖7所示。它與傳統(tǒng)的兩級(jí)電路相比省掉了一個(gè)MOSFET,增加了一個(gè)二極管。另外,其控制采用一般的PWM控制方式,相對(duì)簡(jiǎn)單。但是單級(jí)功率校正存在一個(gè)非常嚴(yán)重的問題:當(dāng)負(fù)載變輕時(shí),由于輸出能量迅速減小,但占空比瞬時(shí)不變,輸入能量不變,使得輸入功率
大于輸出功率,中間儲(chǔ)能電容電壓升高,此時(shí)占空比減小以保持DC/DC級(jí)輸出穩(wěn)定,最終達(dá)到一個(gè)新的平衡狀態(tài)。這樣中間儲(chǔ)能電容的耐壓值需要很高,甚至達(dá)到1000V.當(dāng)負(fù)載變重時(shí),情況相反。怎樣降低儲(chǔ)能電容卜的電壓是現(xiàn)在單級(jí)功率因數(shù)校正研究的熱點(diǎn)。
4.3 常用的功率因數(shù)校正芯片
4.3.1 非連續(xù)電流模式PFC芯片
IFX(英飛凌)TDA4862、TDA4863
ST L6561、L6562
Fairchield(快捷半導(dǎo)體)FAN7527
TI UC3852、UCC38050
SC SG6561
ON MC33262、MC34262、MC33261
4.3.2 連續(xù)電流模式PFC芯片
IFX TDAl6888(PFC+PWM)、
1PCS01(PFC)
ST L498I
Fairchield FA4800(PFC+PWM)
TI UC3854、UCC3817、UCC3818
5 結(jié)語
總結(jié)和歸納了各種有源功率因數(shù)校正技術(shù)及電路拓?fù)?,敘述了它們的工作原理,并比較了它們的優(yōu)缺點(diǎn)。