《功率因数校正技术》PPT课件.ppt

第9章 功率因数校正技术9.1 9.1 谐波和功率因数的定义谐波和功率因数的定义9.2 9.2 开关电源的功率因数校正技术开关电源的功率因数校正技术9.3 9.3 单相功率因数校正电路单相功率因数校正电路 9.4 9.4 三相功率因数校正电路三相功率因数校正电路9.5 9.5 软开关软开关PFCPFC技术技术9.6 9.6 单级功率因数校正技术单级功率因数校正技术 19.1 谐波和功率因数的定义在理想情况下，电网中的电压和电流都是正弦信号，即 U :电压的幅值 I :电流的幅值:电网电压的角频率:电压和电流信号间的相位角2通常，电网电压是由电网中的电源发电机决定的，而电网中的电流则是由连接于电网的负载决定某些非线性或具有时变性的负载会从电网中吸取非正弦电流，如三相感性整流负载的电流为图9-1中i的波形这些波形是非正弦的，但仍然是与电网电压同频率的周期信号，即满足将i(t)分解为傅里叶级数，即 图（9-1）u，i0tui T1 :电网电压的周期:基波成分3在电网中电压为正弦而电流为非正弦的的情况下，负载吸收的有功功率为 根据正交定理，有4 视在功率为 UR、IR :电网电压、负载电流有效值5 功率因数为 由于电网电压是正弦波，因此，而基波电流的波形也是正弦波，因此，式可以写成:畸变因数,标志着电流波形偏离正弦的程度6如果电流是正弦波，则I1R=IR,=1；如果电流波形非正弦，则因为I1RIR，故无论电流波形是否为正弦，总是有1。

7功率因数不为1的负载会给电网带来电能质量问题，这类负载对电网的“污染”可以分为谐波电流和基波无功两部分，它们共同的危害是： （1）从电网吸去无功电流，导致电网中流动的功率增加，加大了电网的损耗 （2）增加了发电和输变电设备的负担，降低了电网的实际可以传递的有功功率的大小8由于谐波电流是非正弦的畸变电流，他对电网的危害更大： （1）造成电网电压畸变，影响其他设备正常工作 （2）使变压器，发电机，补偿电容等设备损耗增加，温升加大，甚至烧毁 （3）造成中线电流显著增加，导致中线严重发热，引起火灾 （4）引起电网谐振，破坏电网稳定性 （5）造成电网中继电保护装置误动作99.2 开关电源的功率因数校正技术通常，开关电源的输入级采用二极管构成的不可控容性整流电路，如图9-2优点：结构简单、成本低、可靠性高缺点：输入电流不是正弦波，而是位于电压峰值附近的脉冲，如图9-3电流波形中含有大量的谐波成分，因此该电路的功率因数很低，通常仅能达到，总谐波含量可达到100%-150%以上，对电网造成严重的污染VD1VD3VD2VD4图（9-2）u，itui图（9-3）10原因：二极管整流电路不具有对输入电流的可控性，当电源电压高于电容电压时，二极管导通，电源电压低于电容电压时，二极管不导通，输入电流为零，这样就形成了电源电压峰值附近的电流脉冲。

解决办法：对电流脉冲的高度进行抑制，使电流波形尽量接近正弦波，这一技术称为功率因数校正（Power Factor CorrectionPFC）根据采用的具体方法不同，分为无源功率因数校正和有源功率因数校正11无源功率因数校正技术通过在二极管整流电路中增加电感、电容等无源元件和二极管，对电路中的电流脉冲进行抑制，以降低电流谐波含量，提高功率因数如图9-4为一种典型的无源功率校正电路 优点：简单、可靠，无需进行控制 缺点：增加的无源元件一般体积都很大，成本也较高，并且功率因数通常仅能校正至左右，而谐波含量仅能降至30%左右，难以满足现行谐波标准的限制图（9-4）VD1VD3VD2VD412有源功率因数校正技术采用全控开关器件构成的开关电路对输入电流的波形进行控制，使之成为与电源电压同相的正弦波，总谐波含量可以降低至5%以下，而功率因数能高达，从而彻底解决整流电路的谐波污染和功率因数低的问题缺点：电路和控制较复杂、开关器件的高速开关造成电路中开关损耗较大、效率略将低于无源功率校正电路等由于采用有源功率因数校正技术可以非常有效地降低谐波含量、提高功率因数，从而满足现行最严格的谐波标准，因此其应用越来越广泛。

13单向有源功率因数校正电路仅有一个全控开关器件该电路容易实现，可靠性较高，应用广泛，基本上已经成为功率在范围内的单相输入开关电源的标准电路形式三相有源功率因数校正电路结构和控制较复杂，成本也很高，因此目前三相输入的开关电源通常还采用无源功率因数校正技术149.3 单相功率因数校正电路一、基本原理开关电源中常用的单相PFC电路如图9-5所示这一电路实际上是由二极管整流电路加升压型斩波电路构成LS电流跟踪控制iLVD1VD3VD2VD4VD5+-电压控制+-电压给定图（9-5）(a)(b)tu0tu0tu015由于采用升压型斩波电路，只要输入电压不高于输出电压，电感L的电流就完全受开关S的通断控制S通时，L的电流下降因此控制S的占空比按正弦绝对值规律变化，且与输入电压同相，就可以控制L的电流波形为正弦绝对值，从而使电流的波形为正弦波，且与输入电压同相，输入功率因数为116升压型有源PFC电路的状态等效电路如图9-6升压型电路的输入电压是正弦电压整流后得到的直流脉冲波形，是以0,为周期重复的，因此电路中输入电压的表达式定义在0,区间上将电路中的电压和电流用相量表示，可以得到如图所示的相量图。

图（9-6）1718控制规律D（t）由如图的控制电路产生电流跟踪控制电路使电 感电流跟踪电流给定信 号，而电流给定信号的 波形为正弦绝对值，因 此电感电流的波形也为 正弦绝对值，从而实现 了功率校正电压控制电路根据升压型斩波电路的输出电压与电压给定间的误差，调节电感电流的大小，以达到控制输出电压的目的电压控制电路的输出信号是平稳的直流信号，用乘法器将该信号同正弦绝对值信号相乘，得到幅值跟随电压控制电路输出变化的正弦绝对值信号，作为电流跟踪环的给定信号LS电流跟踪控制iLVD1VD3VD2VD4VD5+-电压控制+-电压给定19有源PFC电路中常用的电流跟踪控制方法：平均电流控制适用于功率为500W-3kW的PFC电路 峰值电流控制适用于功率小于500W的PFC电路20开关电源中采用有源PFC电路的好处： （1）输入功率因数提高，输入谐波电流减小，降低了电源对电网的干扰 （2）在输入相同有功功率的条件下，输入电流有效值明显减小，降低了对线路、开关、连接件等电流容量的要求 （3）由于有升压斩波电路，电源允许的输入电压范围扩大，通常可以达到90-270V，能适应世界各国不同的电网电压，极大的提高电源装置的可靠性和灵活性。

（4）由于升压斩波电路的稳压作用，整流电路输出电压是稳定的，使后级DC-DC变换电路的工作点保持稳定，有利于提高控制精度和效率不利影响：增加功率因数校正电路会使电源总效率下降3%-5% 21二、主电路参数计算单相功率因数校正电路的输入电压和电流都是正弦波，因此有 Ui :输入电压的幅值Ii :输入电流的幅值1:电源电压的角频率22在忽略各种损耗的条件下，电路的输出功率与输入功率应相等，则有由于输入电压和电流都是正弦值，因此有电感电流是输入点流经全波整流后的波形，因此有 UiR、IiR:输入电压、电流有效值 Uo:输出电压R:负载电阻23根据电路的状态空间平均模型，有PFC电路中D和D都是时变量，因此用D(t)和D(t)表示通常K很小，因此，忽略式中第2项K=1LIi/UiD=1-D,D为占空比24开关电流的表达式开关电流的周期平均值为开关电流的周期有效值为 Ts=T1/N25而开关电流在输入电压周期内的有效值为令Ts0，N ，上式变成26三、单相功率因数校正电路的控制电路三、单相功率因数校正电路的控制电路单相PFC电路中常用控制芯片UC3854UC3854是专用控制集成电路，它集成了PFC电路控制所需的电压控制、平均电流跟踪控制、乘法器、驱动、保护、和基准源等全部电路，使用方便。

其主要特点和技术参数为：电源电压：1835V工作频率：10200kHz基准源电压：驱动电流：（平均值），（峰值） 27该芯片的内部结构及构成的典型电路如图9-7图（9-7）28VA及外部元件构成PI型电压控制电路，正弦绝对值参考信号来自主电路中整流输出端，通过IAC引脚送入乘法器，乘法器将电压控制器的输出信号（VA Out）与正弦绝对值参考信号（IAC）相乘，作为电流跟踪控制器CA的给定为了提高电压控制的快速性，乘法器还将电流给定信号除以输入电压有效值的二次方，这样当输入电压发生变化时，电流给定随之变化，无需经电压控制器调节，这称为前馈控制例如，在后级功率保持恒定的条件下，输入电压突然变高，PFC级的输入电流应相应减小，以保持输入功率同输出功率的平衡如果没有前馈控制，这一调节过程将由调节速度较慢的电压控制器完成，并由于调节控制暂时的功率不平衡导致输出电压的较大幅度波动，而通过前馈控制，这一调节过程可以在瞬时完成，减少了输出电压的波动29主电路中的电流采用电阻检测，CA及其外部电路构成PI型电流控制器，该控制器输出的控制量经锯齿波比较电路后形成PWM信号，由驱动电路输出，驱动主电路中的开关器件。

309.4 三相功率因数校正电路一、三相单开关功率因数校正电路三相单开关功率因数校正电路如图9-8所示图（9-8）VD1VD6VD4LCVD2VD5VD3LALBBCASCVD7+-31该电路是工作在电流不连续模式时的升压型斩波电路连接三相输入的三个电感LALC的电流在每个开关周期内都不连续，电路中的二极管都应采用快速恢复二极管，电路的输出电压应高于输入线电压间电压峰值方能正常工作该电路工作时的原理性波形如图9-9图（9-9）iAiBiCttiS00iATont0IAP32S开通电感电流均值从零开始线性上升（正向或负向），直到开关S关断三相电感电流通过VD7向负载侧流动，迅速下降到零在每一个开关周期中，电感电流是三角形或接近三角形的电流脉冲 以iLA为例说明在输入电源周期内，线电流的波形 当S导通期间，iLA线性上升；当S关断时，达到峰值IAP 假设开关频率较高，在一个开关周期内，A相输入电压UA变化很小，变化量可以忽略，则可得到IAP的表达式为 33假设开关频率较高，在一个开关周期内，A相输入电压UA变化很小，变化量可以忽略，则可得到IAP的表达式为图中阴影部分面积为假设S关断后电流iA下降很快，则图中非阴影部分的面积很小，可以忽略。

这样，在这一开关周期内电流iA的平均值近似为 LA、T为常数，如果在输入电源周期内，Ton保持不变，则开关周期平均值的波形跟随输入电源电压uA的波形，因此的波形是正弦波34在分析中略去了图9-9b中非阴影部分的电流，因此实际的 波形同正弦波比有些畸变可以想象，如果输出直流电压很高，则开关S关断后电流下降快，被略去的电流面积就很小，则 的波形同正弦波的近似程度高，其波形畸变小因此，对于三相380V输入的单开关PFC电路，其输出电压通常选择为800V以上，其输入功率因数可达0.98以上，输入电流谐波含量小于20%，完全可以满足现行谐波标准的要求由于该电路工作于电流断续模式，电路中电流峰值高，开关器件的通态损耗和开关损耗都很大，因此适用于3-6kW的中小功率电源中35二、三相6单开关PFC电路三相6单开关PFC电路通常被称之为三相PWM整流电路或单位功率因数变流电路该电路结构如图9-10所示这一电路中，同相上下两个开关的通、断互补，并留有死区LA的电流可由开关S1、S2的通断控制，因此通过适当地调制S1、S2的占空比，就可以使A相电流跟踪A相电压同样，B、C相的电流也跟踪B、C相电压，这样就实现了功率校正。

图（9-10）LCLALBBCAS1CS2S3S4S5S6+-36该电路仍属于升压型电路，所以输出电压应高于输入线电压峰值采用这一电路，输入电流谐波含量可以降低至5%以下，功率因数可高于，可以满足未来最严格的谐波标准的要求特点：性能优越，但所需开关数量较多，控制复杂，电。