开关电源与有源功率因数校正技术

第1章 开关电源技术及PFC概述,1.1 什么是开关电源技术 1.2 开关电源的构成及特点 1.3改善开关电源谐波和功率因数的方法,1.1 什么是开关电源技术,直流电源分为：线性电源和开关电源。 线性电源是指调整管工作在线性状态下的直流稳压电源。,图1-1 利用可变电阻稳压,实际电源电路中，通常利用负反馈原理，以输出电压的变化量去控制晶体管集电极与发射极之间的电阻值，原理电路见图1-2。,图1-2 利用反馈加晶体管稳压,1.1 什么是开关电源技术,常用的线性串联型稳压电源芯片有：78XX系列（正电压型），79XX系列（负电压型）（例如7805，输出电压为5V）；LM317（可调正电压型），LM337（可调负电压型）； 由于调整管相当于一个电阻，电流流过电阻时会发热，所以工作在线性状态下的调整管，一般会产生大量的热，导致效率不高（满载才80%）。这是线性电源的一个主要缺点。,1.1 什么是开关电源技术,1.1 什么是开关电源技术,线性电源特点 优点：技术成熟，已有大量集成化的稳压电源模 块，稳定性好，输出纹波电压小等。 缺点：需要的变压器为工频变压器体积大，效率低。 整流管流过和负责相同的电流，损耗增大； 为减少纹波，输入滤波电容容量要求大，否 则脉动电压增加；此外，由于调整管功耗 大，所以需要装体积很大的散热片，很难满 足现代电力电子设备发展的需求。,1.1 什么是开关电源技术,1.1 什么是开关电源技术,我们所说的开关电源技术特指采用PWM技术的DC/DC直流开关电源。 我们所用的电源是指经过转换才能符合使用的需要。例如，交流变直流，高压变低压等。也就是我们所谓的粗电变精电的过程。 广义的说，各种采用开关器件的电力变换电路都可以叫做开关电源。,开关电源,1.1 什么是开关电源技术,开关电源的特点 直流电直接由市电整流获得，不需要工频变压器，体积小重量轻。 工作频率高，滤波电容数值小也使得整个电源体积小，重量轻。 调整管工作在开关状态，功耗小，机内温升低，提升了整机的稳定性和可靠性。 开关电源技术即现代电源技术。,1.1 什么是开关电源技术,电子设备的小型化和低成本化，使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。传统的线性稳压电源很难满足现代电子设备发展的要求。 开关电源以其体积小、重量轻、效率高性能稳定等优点逐渐取代传统技术制造的线性电源，并广泛应用于电子整机和设备中。 现代电源技术指开关电源技术,1.1 什么是开关电源技术,1.2 开关电源国内外发展状况,20世纪50年代，美国宇航局最先为搭载火箭开发了体积小，重量轻的开关电源。 20世纪80年代，计算机已经全面实现了开关电源化。随后90年代，开关电源在其他领域（电子，电气设备、家电领域）得到了广泛应用。,开关电源技术的发展趋势 高频化、小型化。开关电源的体积、重量主要是由储能元件决定。在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效的减少储能元件的体积、重量，而且还能抑制干扰，改善系统的动态性能。因此，高频化是开关电源的主要发展方向。 高可靠性。从寿命的角度，提高电解电容，光耦，排风扇的寿命。从设计的角度，提高电源集成度，减少元器件，简化电路，提高可靠性。,1.2 开关电源国内外发展状况,低噪声。开关电源的频率越高，噪声也就越大。这是开关电源的缺点之一。因此，尽可能降低噪声是开关电源的发展方向（目前是谐振转换技术） 采用计算机辅助设计和控制。采用CAD设计（拓扑结构和参数)，使开关电源具有最简结构和最佳工况。在电路中引入微机监测，构成多功能监系统，实现实时监测、自动报警等。,1.2 开关电源国内外发展状况,电力电子器件和磁性元件的发展与开关电源发展是息息相关的。 研究低损耗，低噪声技术以及开发新型（高速高频）元器件，是开关电源实现小型化、高频化以及高可靠性的重要推动。 总之，高效率、小型化、智能化以及高可靠性是大势所趋，也是开关电源今后的发展方向。,1.2 开关电源国内外发展状况,1.3 改善开关电源功率因数和谐波的方法,开关电源谐波严重和功率因数低的原因：二极管整流和电容滤波,解决用电设备谐波污染的方法： （一）增设电网补偿装置（有源和无源滤波） （二）改进电力电子装置使之不产生或产生很小的谐波（PWM整流和功率因数校正技术）,（3-4）,功率因数校正(Power Factor Correction,PFC)实现的方法 （一）无源功率因数校正（Passive Power Factor Correction, PPFC） （二）有源功率因数校正（Active Power Factor Correction, APFC）,3-17,无源功率因数校正( PPFC)技术是通过在整流电路中加入电感和电容等无源元件，使整流桥中的二极管导通时间变长，从而降低电流谐波，提高功率因数。它是传统补偿无功和抑制谐波的主要手段。PPFC技术具有结构简单及成本低的优点，虽然校正效果不如APFC技术理想，但在中小功率场合仍具有良好的应用价值。,（一）无源功率因数校正,传统无源滤波电路,通常在分析PPFC原理时，采用的图a所示的DCL方式电路，滤波电感接在整流桥的后面，而实际应用中一般是将滤波电感接在整流桥的前面，采用的是图所示的ACL方式电路，这种接法可以有效地去除直流分量，避免电感铁心饱和。同时在相同的条件下，采用ACL方式输出直流电压损失较小，电源电压利用率高。 LC滤波电路中合适地选取电感值的大小，有利于PFC的效果。在输出功率不变时，当电感量较小(5mH)时，PFC效果不明显，但随着电感量的增大当L= 50mH时，整流二极管的导通时间变长，尖脉冲状的输入电流变得平滑，输入电流总谐波减少。,但当L= 300mH时，虽然高次谐波分量进一步减小，输入电流波形更近似于正弦波，但输入电流与输入电压之间的相位差明显加大，使得功率因数降低，无功功率增大，电源的利用率下降。从图2-2中还可看出随着电感量的增大直流输出电压明显下降。 实验结果表明无源LC滤波电路在小功率场合应用，PFC较好，不太适合功率大于300W的应用场合。图2-3所示为输出功率P=300W时的输入电流波形和谐渡频谱图，从图中可知虽然高次谐波含量得到了非常好的抑制，但随着输出功率的增大，输人电流与输入电压之间的相位差明显加大，使得PFC效果较差。,输入电流波形和输出电压平均值,PPFC技术的主要优点是：简单可靠、不需控制电路、EMI小。 主要缺点是： （1）滤波电感和电容的值较大，因此体积较大，而且难以得到高功率因数（一般可提高到90%左右），在有些场合下，无法满足现行标准规定的谐波限制要求； （2）如产生的谐波超过设计时的参数，会造成滤波器过载或损坏；,（3）滤波电容上的电压是后级DC/DC变换器的输入电压，它随输入交流电压和输出负载的变化而变化，这个变化的电压影响了DC/DC变换器的性能。 由于PPFC技术采用低频电感和电容进行输入滤波，工作性能与频率、负载变化及输入电压变化有关，因此比较适合于功率相对较小（如小于300W）、对体积和重量要求不高且对价格敏感的场合应用。,（二）有源功率因数校正（APFC）,APFC技术由于电路工作在高频开关状态，因此相对于PPFC技术具有体积小、重量轻、效率高的优点，在开关电源中得到广泛应用。 从不同的角度看，APFC技术有很多种分类方法。从电网供电方式来分，可分为单相APFC电路和三相APFC电路；从控制模式米分，可分为电流连续模式(ContinuousCurrern - ModeCCM)、电流断续模式（Discontinuoua CUrrent Mode，DCM）和电流临界模式(Boundary Current - Mode，BCM)从开关模式来分，可分为硬开关模式和软开关模式；从电路构成来分，可分为两级APFC电路和单级APFC电路,在开关电源等电力电子装置中实施功率因数校正措施，除了要满足这些强制标准的要求、获得市场准入条件外，其意义还有以下几点： (1)在开关电源等电力电子装置中，实施PFC措施后，由于减少了谐波电流含量，有利于降低对其他用电设备的干扰，功率因数的提高也有利于提高电网设备的利用率和节约电能。 (2) 采取PFC措施后（一般都使用Boost电路），电源的允许输入电压范围扩大，可以达到90 - 270V（单相），能适应世界各国不同的电网电压，大大提高了开关电源的可靠性。,（三）在开关电源中实施功率因数校正的意义,（3）采取PFC措施后，由于PFC电路的稳压作用，其输出电压是基本稳定的，有利于后级DC/DC变换电路的工作点保持稳定和提高控制精度。 （4）可以提高电网设备的安全性，在三相四线制电路中，3次谐波在中线中的电流同相位，导致中线电流很大致使中线有可能因过电流发热而引起火灾、损坏电气设备。在开关电源等电力电子装置中，采取PFC揩施后，减小了谐波电流分量，减小了中线电流，可有效提高供电系统的可靠性。,（5）可以提高开关电源等电力电子装置自身的可靠性，如果不采取PFC措施，过大的尖蜂脉冲电流，严重危害直流侧的滤波电容，引起二极管正向压降增加、导致功耗增加。另外，输入侧的EMI滤波元件因承受高峰值电流脉冲，也需要加大参数指标，以提高承受能力。 （6）提高用电安全性 ，例如，美国从安全角度出发，提出功率因数的要求。在美国，办公环境使用的110V/15A电源插座，由于UL（美国保险商实验所）标准的限制只能使用12A的电流。 如果电源效率为85%、PF=0 65，设备只能得到729. 3W的功率(110V×12A×0 85× 65=729. 3W)，功率再大就要跳闸。,同样输入条件下，增加输出功率有两种办法：一是提高电源效率；二是提高功率因数。提高效率要受到电源电路水平的限制，难度较大，并且效果也不明显，但提高功率因数则效果明显，例如把PF=0. 65提高到PF=0 99，设备在相同条件下就能得到1170的功率(110V×12A×0 85×0 99=1170W)，这样就可以满足新一代工作站、大功率音响设备等需要较大（一般都在700W以上）功率的要求。,（四）PFC技术的发展趋势及研究热点,从无源到有源PFC得益于电力电子器件的发展，APFC从单相到三相，从硬开关到软开关。 研究热点： （1）新型拓扑结构的提出，主要是基于已有的或新的原理得到新型拓扑结构，以提高转换效率或达到简化电路结构的目的。 （2）把DC/DC变换器中的新技术应用于APFC电路中。例如，软开关技术的应用可以提高开关频率、减少开关损耗和EMI。 （3) 基于已有拓扑结构的新控制方法，以及基于新拓扑的特殊控制方法的研究，引入预测控制、空间矢量控制、单周期控制、滑模变结构控制以及模糊控制等新型控制策略可改善电路的性能。 总之，成本低、效率高、结构简单、容易实现，并且具有高响应速度、低输出电压纹波提高功率因数变换器是研究人员追求的最终目标。,第2章 APFC的典型拓扑结构,2.1升降压变换电路 2.2单端正激变换电路 2.3单端反激变换电路 2.4推挽式变换电路 2.5 半桥和全桥变化电路,概述,APFC机构：两级结构和单级结构 两级结构 第一级是PFC，通常采用BOOST电路，其任务是实现网侧电流正弦化以及电压粗调；第二级是DC/DC（直接或间接变换），其任务是对输出电压进行细调。优点：性能好，技术成熟；缺点结构复杂、整机效率较低和性价比不高，适用于精密仪器电源等。 单级结构 PFC和DC/DC变换合二为一，目的减少元器件、节约成本，提高效率和简化控制。特点：整机效率高（电脑、电视的电源），性能稍差，所以目前研究主要集中在单级APFC。,两级APFC结构,单级APFC结构,2.1 BUCK（BOOST) APFC 变换电路,（一） BUCK 变换电路,带有APFC的DC/DC和普通DCDC变换器时主要有以下两点不同： （1）输入电压非稳定的直流电压； （2）输出输入电压比非定值。,因此构成PFC电路的变换器分析比较复杂