有源功率因数校正技术原理及应用.pdf

收 稿 日 期 : 2002 07 19有 源 功 率 因 数 校 正 技 术 原 理 及 应 用APFC Technology Pr inc iple and Appl ica tion朱 方 明ZHU Fangm ing余 建 刚YU J iangang(总 参 通 信 部 驻 宝 鸡 地 区 军 代 室 　 宝 鸡 　 721006) 　 　 　 (总 参 三 部 12 局 　 上 海 　 200072)(General Staff Signalm an m inistry Bao jiD elegate Section, Bao ji, 721006, Ch ina) (General Staff 12th bureau 3rd m inistry, Shanghai, 200072, Ch ina)摘 　 要 : 介 绍 功 率 因 数 校 正 定 义 、 原 理 及 A PFC 控 制 方 法 , 并 进 行 实 例 分 析 关 键 词 : PFC; A PFC; U C3854目 前 国 际 上 推 行 的 IEC555- 2, EN 60555- 2,IEEE - 159 等 标 准 对 电 子 生 产 厂 家 入 网 电 气 设 备 的电 流 谐 波 值 进 行 了 限 制 , 因 此 , 采 用 功 率 因 素 校 准 方法 来 实 现 “ 绿 色 能 源 ” 革 命 已 势 在 必 行 。

本 文 将 简 要介 绍 有 关 功 率 因 数 的 概 念 及 应 用 实 例 1　 谐 波 电 流 对 电 网 的 危 害脉 冲 状 的 输 入 电 流 , 含 有 大 量 谐 波 , 一 方 面 使 谐波 噪 声 水 平 提 高 , 同 时 在 A C- DC 整 流 电 路 的 输 入 端必 需 增 加 滤 波 器 , 既 贵 , 体 积 、 重 量 又 庞 大 、 笨 重 而且 大 量 电 流 谐 波 分 量 倒 流 入 电 网 , 还 会 造 成 对 电 网 的谐 波 “ 污 染 ” 一 方 面 产 生 “ 二 次 效 应 ” , 即 电 流 流 过线 路 阻 抗 造 成 谐 波 电 压 降 , 反 过 来 使 电 网 电 压 (原 来是 正 弦 波 ) 也 发 生 畸 变 ; 另 一 方 面 , 会 造 成 电 路 故 障 ,使 变 电 设 备 损 坏 例 如 线 路 和 配 电 变 压 器 过 热 ; 谐 波电 流 会 引 起 电 网 L C 谐 振 , 或 高 次 谐 波 电 流 流 过 电 网的 高 压 电 容 , 使 之 过 流 、 过 热 而 爆 炸 ; 在 三 相 电 路 中 ,中 线 流 过 三 相 三 次 谐 波 电 流 的 叠 加 , 使 中 线 过 流 而 损坏 等 等 。

所 以 对 电 子 设 备 进 行 功 率 因 素 校 正 已 成 必 然趋 势 2　 功 率 因 数 的 定 义 及 校 正 原 理功 率 因 数 P F (Pow er Facto r) 的 定 义 是 指 : 交 流输 入 有 功 功 率 与 输 入 视 在 功 率 之 比 值 , 其 表 达 式 为 :P F = P 实 P 视 = P (V RM S × IRM S )= V R × I 1co sW (V R × IR ) = I 1co sW IR= Cco sW式 中 ,V R 是 电 网 电 压 有 效 值 , IR 是 电 网 电 流 有 效 值 , I 1是 基 波 电 流 有 效 值 , C= I 1 IR 是 电 网 电 流 交 流 失 真 因数 (又 称 基 波 因 数 ) , co sW是 基 波 电 压 和 基 波 电 流 的 相移 因 数 因 此 , 功 率 因 数 P F 又 可 定 义 为 失 真 因 数 与 相移 因 数 之 乘 积 假 设 输 入 电 流 无 谐 波 时 C= 1 或 I 1 =IR , 故 上 式 变 为 P F = co sW。

功 率 因 数 校 正 的 基 本 原 理 , 就 是 从 电 路 上 采 取 措施 , 使 电 源 输 入 电 流 实 现 正 弦 波 , 并 与 输 入 电 压 保 持 同相 功 率 因 数 与 电 流 总 谐 波 失 真 度 (T H D ) 的 关 系 为 :P F 失 真 = 11 + (T H D ) 2其 中 : T H D = I 22 + I 32 + … I n 2 + … I 12 即 为 所 有 谐波 分 量 的 总 有 效 值 和 基 波 分 量 之 商 正 弦 化 是 使 其 他 谐 波 为 零 , 即 IR = I 1, 则 失 真 因数 C= I 1 IR = 1; 同 相 位 是 使 W= 00, 即 co s00 = 1在 电 源 输 入 级 插 进 功 率 因 数 校 正 网 络 , 通 过 适 当的 控 制 电 路 不 断 调 节 输 入 电 流 波 形 , 使 其 逼 近 正 弦 波 ,并 与 输 入 的 电 网 电 压 保 持 同 相 , 这 样 就 达 到 了 功 率 因数 校 正 的 目 的 3　 提 高 AC- DC 电 路 输 入 端 功 率 因 数 和 减 小 输 入 电流 谐 波 的 两 种 主 要 方 法311　 无 源 滤 波 器无 源 滤 波 器 是 在 电 路 的 整 流 器 和 电 容 之 间 串 联 一个 滤 波 电 感 , 或 在 交 流 侧 接 入 谐 振 滤 波 器 。

其 主 要 优点 是 : 简 单 、 成 本 低 、 可 靠 性 高 、 EM I小 主 要 缺 点是 : 尺 寸 、 重 量 大 , 难 以 得 到 高 功 率 因 数 (一 般 可 提高 到 019 左 右 ) , 工 作 性 能 与 频 率 、 负 载 变 化 及 输 入 电压 有 关 , 电 感 和 电 容 间 有 大 的 充 放 电 电 流 等 312　 有 源 滤 波 器 (或 称 有 源 功 率 因 数 校 正 器 )在 整 流 器 和 负 载 之 间 接 入 一 个 DC - DC 开 关 变换 器 , 应 用 电 流 反 馈 技 术 , 使 输 入 端 电 流 ii 波 形 跟 踪交 流 输 入 正 弦 电 压 波 形 , 使 电 网 输 入 端 的 电 流 波 形 逼近 正 弦 波 , 并 与 输 入 的 电 网 电 压 同 相 位 主 要 优 点 是 :可 得 到 较 高 的 功 率 因 数 , T H D 小 , 可 在 较 宽 输 入 电 压04有 源 功 率 因 数 校 正 技 术 原 理 及 应 用范 围 和 宽 带 下 工 作 , 体 积 、 重 量 小 , 输 出 电 压 也 可 保持 恒 定 。

主 要 缺 点 是 : 电 路 复 杂 , M TBF (平 均 无 故 障时 间 ) 下 降 , 成 本 较 高 , 效 率 会 有 所 降 低 等 有 源 功率 因 数 校 正 器 已 广 泛 应 用 A C- DC 开 关 电 源 , 交 流 不间 断 电 源 (U PS) 等 领 域 下 面 将 主 要 介 绍 有 源 功 率 因数 校 正 器 原 理 及 应 用 方 法 4　 APFC (Active Power Factor Correction) 方 法 介 绍常 用 的 控 制 A C - DC 开 关 变 换 器 实 现 A PFC 的方 法 有 2 大 类 : 乘 法 器 控 制 ; 电 压 跟 踪 控 制 下 面 将主 要 介 绍 乘 法 器 控 制 的 3 种 基 本 方 法 , 即 电 流 峰 值 控制 、 电 流 滞 环 控 制 以 及 平 均 电 流 控 制 法 411　 电 流 峰 值 控 制电 流 峰 值 控 制 的 输 入 电 流 波 形 如 图 1 所 示 , 开 关 管在 恒 定 的 时 钟 周 期 导 通 , 当 输 入 电 流 上 升 到 基 准 电 流 时 ,开 关 管 关 断 。

取 样 电 流 来 自 开 关 电 流 或 电 感 电 流 , 可 实 现峰 值 电 流 控 制 的 IC 有 M L 4812, M L 4819 等 图 1　 电 流 峰 值 控 制 的 输 入 电 流 波 形412　 电 流 滞 环 控 制电 流 滞 环 控 制 的 输 入 电 流 波形 如 图 2 所 示 , 开 关 导 通 时 电 感流 上 升 , 上 升 到 上 限 阀 值 时 , 滞环 比 较 器 输 出 低 电 平 , 开 关 管 关断 , 电 感 电 流 下 降 ; 下 降 到 下 限阀 值 时 , 滞 环 比 较 器 输 出 高 电 平 ,开 关 管 导 通 , 电 感 电 流 上 升 , 如此 周 而 复 始 地 工 作 , 其 中 取 样 电流 来 自 电 感 电 流 413　 平 均 电 流 控 制平 均 电 流 控 制 的 输 入 电 流 波形 如 图 3 所 示 平 均 电 流 控 制 将电 感 电 流 信 号 与 锯 齿 波 信 号 相加 当 两 信 号 之 和 超 过 基 准 电 流时 , 开 关 管 关 断 , 当 其 和 小 于 基 准 电 流 时 , 开 关 管 导通 。

取 样 电 流 来 自 实 际 输 入 电 流 而 不 是 开 关 电 流 用于 平 均 电 流 控 制 的 IC 有 U C3854, T K83854, M L 4821等 5　 UC3854 功 率 因 数 校 正 IC 介 绍 及 其 应 用 电 路511　 U C3854 功 率 因 数 校 正 IC 工 作 原 理U C3854 功 率 因 数 校 正 IC 是 美 国 U n itrode 公 司的 产 品 , 具 有 功 率 因 数 接 近 1, 固 定 频 率 平 均 电 流 型 控制 和 输 入 电 压 动 态 范 围 宽 , 具 有 欠 压 、 过 流 保 护 功 能 ,内 含 精 度 为 1% 的 715 V 基 准 电 压 , 启 动 电 流 非 常 小等 特 点 其 内 部 结 构 图 如 图 4 所 示 图 2　 电 流 滞 环 控 制 的 输 入 电 流 波 形图 3　 平 均 电 流 控 制 的 输 入 电 流 波 形图 4　 内 部 结 构 图 　 　 　 　 　 　 　 　 　1- Gnd, 接 地 端 2- PKLM T , 峰 值 限 制 端 , 接 电 流 检 测 电 阻 的 电压 负 端 。

3- CA O u t, 电 流 放 大 器 CA 输 出 端 14《 现 代 电 子 技 术 》 2002 年 第 10 期 总 第 141 期 计 算 机 应 用4- ISEN SE, 电 流 检 测 端 , 内 部 接 CA 输 入 负 端 ,外 部 经 电 阻 接 电 流 检 测 电 阻 的 电 压 正 端 5- M u lt O u t, 乘 法 器 输 出 端 , 即 电 流 检 测 另 一端 , 内 部 接 乘 法 除 法 器 输 出 端 和 CA 输 入 正 端 , 外 部经 电 阻 接 电 流 检 测 电 阻 的 电 压 负 端 6- IA C, 输 入 电 流 端 , 内 部 接 乘 法 除 法 器 输 入B 外 部 经 电 阻 接 整 流 输 入 电 压 的 正 端 7- VA O u t, 电 压 放 大 器 VA 输 出 端 , 内 部 接乘 法 除 法 器 输 入 A , 外 部 接 RC 反 馈 网 络 8- V RM S, 有 效 值 电 源 电 压 端 , 内 部 经 过 平 方器 接 乘 法 除 法 器 输 入 C, 起 前 馈 作 用 , 其 数 值 范 围为 115～ 4177 V。

9- R EF, 基 准 电 。