PWM整流和有源功率因數(shù)校正

1、復(fù)習(xí)：計(jì)算法產(chǎn)生復(fù)習(xí)：計(jì)算法產(chǎn)生SPWMSPWM控制信號(hào)控制信號(hào) n根據(jù)正弦調(diào)制波頻率根據(jù)正弦調(diào)制波頻率frfr（周期（周期TrTr）、載波頻率）、載波頻率fcfc （周期（周期TcTc），），計(jì)算出計(jì)算出SPWMSPWM波各波各脈沖周期脈沖周期和和占空比占空比， 通過控制逆變電路開關(guān)器件的通斷，得到所需所通過控制逆變電路開關(guān)器件的通斷，得到所需所 需需正弦波波形正弦波波形。 計(jì)算法（計(jì)算法（1）-規(guī)則采樣法規(guī)則采樣法 n面積等效原理面積等效原理(m=1)： nSPWMSPWM信號(hào)占空比：信號(hào)占空比： 2 sin1 i c i i T d 2)sin1 ( ii Tc 計(jì)算法（計(jì)算法（1）-規(guī)

2、則采用法規(guī)則采用法 nTcTc的計(jì)算：的計(jì)算： n載波比：載波比： nfrfr基波頻率，基波頻率，fcfc載波頻率，載波頻率，K K為整數(shù)為整數(shù)( (同步調(diào)制同步調(diào)制) )。 n若選若選K=36K=36，frfr=50Hz=50Hz： n則則fc= Kfc= K* *frfr = 36 = 36* *50Hz50Hz， nTcTc= 1/Kfr = 20ms/36= 1/Kfr = 20ms/36 Tc Tr fr fc K 雙極性雙極性SPWMSPWM驅(qū)動(dòng)電路和驅(qū)動(dòng)電路和H H橋主電路橋主電路 雙極性雙極性SPWMHSPWMH橋主電路橋主電路 nPWMPWM整流電路及其控制方法整流電路及其控

3、制方法 n 有源功率因數(shù)校正有源功率因數(shù)校正（Active Power Factor Correction ） AC-DC AC-DC 電路中使用的橋式全波整流電路中使用的橋式全波整流 電路及波形圖電路及波形圖 n輸入電壓為正弦波。輸入電壓為正弦波。 n只有當(dāng)輸入電壓大于只有當(dāng)輸入電壓大于 電容的電壓時(shí)電容的電壓時(shí), , 才有才有 電流給電容充電，電流給電容充電，電電 流為周期性的流為周期性的非正弦非正弦 波波。 nP.F.=CosP.F.=Cos無效無效 一、功率因數(shù)校正的意義一、功率因數(shù)校正的意義 n理論上，輸入電壓和電理論上，輸入電壓和電 流都是理想的正弦波的流都是理想的正弦波的 情況下

4、：情況下： nP.F.= P/S=Watts/V.A.P.F.= P/S=Watts/V.A. n = =有功功率有功功率/ /視在功率視在功率 n =Cos=Cos n：輸入電壓和輸入電：輸入電壓和輸入電 流的相位差。流的相位差。 電流電流為周期性的非正弦波為周期性的非正弦波（電壓理想正弦波）（電壓理想正弦波）功率功率 因數(shù)計(jì)算方法因數(shù)計(jì)算方法 n周期性的非正弦波電流經(jīng)過傅里葉變換為周期性的非正弦波電流經(jīng)過傅里葉變換為: : n有功功率有功功率P=VP=VRMS RMS* *I I1RMSP1RMSP=V =VRMS RMS* *I I1RMS1RMS* *Cos1 Cos1 n(1-(1-

5、輸入電壓和輸入電流基波分量輸入電壓和輸入電流基波分量I I1RMS 1RMS 的相位差 的相位差) )。 nS=VS=VRMS RMS* *I IRMS totalRMS total n于是使功率因數(shù)于是使功率因數(shù)Power Factor Power Factor 可以表達(dá)為：可以表達(dá)為： nP.F.=P/S= (IP.F.=P/S= (I1RMS 1RMS/I /I RMS total RMS total) )* * Cos 1 Cos 1 電流失真系數(shù)電流失真系數(shù)K K對(duì)功率因數(shù)的影響對(duì)功率因數(shù)的影響 n電流失真系數(shù)電流失真系數(shù)K:K: nK= IK= I1RMS 1RMS/I /I RM

6、S total RMS total n = Cos = Cos n為失真角；為失真角；K K 為與電流為與電流 諧波分量有關(guān)的系數(shù)。諧波分量有關(guān)的系數(shù)。 n最后最后, , 可以表達(dá)為可以表達(dá)為: : nP.F.=Cos 1P.F.=Cos 1* *Cos Cos n如果總的諧波分量為零如果總的諧波分量為零, , K K 就為就為1 1。 功率因數(shù)功率因數(shù) (PF) (PF) 由電流失真系數(shù)由電流失真系數(shù) ( K ( K = Cos= Cos ) ) 和基波電壓、基波電流相移因數(shù)和基波電壓、基波電流相移因數(shù)( Cos 1) ( Cos 1) 決定。決定。 nCos 1 Cos 1 小，則表示用小

7、，則表示用 電電器設(shè)備的無功功率電電器設(shè)備的無功功率 大，設(shè)備利用率低，導(dǎo)大，設(shè)備利用率低，導(dǎo) 線、變壓器繞組損耗大。線、變壓器繞組損耗大。 nK K 值小，則表示輸入電值小，則表示輸入電 流諧波分量大，將造成流諧波分量大，將造成 輸入電流波形畸變，對(duì)輸入電流波形畸變，對(duì) 電網(wǎng)造成污染。電網(wǎng)造成污染。 n常規(guī)整流裝置使用非線性器件常規(guī)整流裝置使用非線性器件 （如可控硅、二極管），整流器（如可控硅、二極管），整流器 件的導(dǎo)通角小于件的導(dǎo)通角小于180180o o，從而產(chǎn)生，從而產(chǎn)生 大量諧波電流成份，而大量諧波電流成份，而諧波電流諧波電流 成份不做功成份不做功，只有，只有基波電流成份基波電流成份

8、 做功做功。所以相移因數(shù)和電流失真。所以相移因數(shù)和電流失真 系數(shù)（系數(shù)（K K）相比，輸入電流失真系）相比，輸入電流失真系 數(shù)（數(shù)（K K）對(duì)供電線路功率因數(shù)）對(duì)供電線路功率因數(shù) (PF) (PF) 的影響更大。的影響更大。 輸入電流諧波分量大，將對(duì)輸入電流諧波分量大，將對(duì)電網(wǎng)造成污染電網(wǎng)造成污染，嚴(yán)重時(shí)，嚴(yán)重時(shí)， 對(duì)三相四線制供電，還會(huì)造成中線電位偏移對(duì)三相四線制供電，還會(huì)造成中線電位偏移，致使用，致使用 電電器設(shè)備損壞。電電器設(shè)備損壞。 n為了提高供電線路功率因數(shù)，保護(hù)用電設(shè)備，為了提高供電線路功率因數(shù)，保護(hù)用電設(shè)備，世世 界上許多國(guó)家和相關(guān)國(guó)際組織界上許多國(guó)家和相關(guān)國(guó)際組織制定出相應(yīng)的技

9、術(shù)制定出相應(yīng)的技術(shù) 標(biāo)準(zhǔn)，以標(biāo)準(zhǔn)，以限制諧波電流含量限制諧波電流含量。如：。如：IEC555-2IEC555-2， IEC61000-3-2IEC61000-3-2，EN 60555-2 EN 60555-2 等標(biāo)準(zhǔn)，它們規(guī)定等標(biāo)準(zhǔn)，它們規(guī)定 了允許產(chǎn)生的最大諧波電流。了允許產(chǎn)生的最大諧波電流。我國(guó)于我國(guó)于1994 1994 年也頒年也頒 布了布了電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn) （GB/T14549-93GB/T14549-93）。）。 二、二、PF PF 與總諧波失真系數(shù)（與總諧波失真系數(shù)（THDTHD）的關(guān)系）的關(guān)系 三三. .功率因數(shù)校正方法功率因數(shù)校正方法 n由功率因

10、數(shù)由功率因數(shù) P.F.=Cos P.F.=Cos * *K = 1 K = 1 最佳可知，最佳可知，要提要提 高功率因數(shù)，有兩個(gè)途徑：高功率因數(shù)，有兩個(gè)途徑： n1. 1. 使輸入電壓、輸入電流同相位。此時(shí)使輸入電壓、輸入電流同相位。此時(shí)Cos Cos =1, =1, 所以所以PF=KPF=K。 n2. 2. 使輸入電流正弦化。即使輸入電流正弦化。即I IRMS RMS=I =I1RMS 1RMS（諧波為零）， （諧波為零）， 有有I I1RMS 1RMS/I /IRMS RMS=1 , =1 , 即：即：P.F.=Cos P.F.=Cos * *K = 1K = 1 使使P.F.= 1P.F

11、.= 1是電力電子技術(shù)研究方向之一是電力電子技術(shù)研究方向之一 n利用電力電子電路使利用電力電子電路使P.F.=Cos P.F.=Cos * *K = 1K = 1，從而實(shí)現(xiàn)功，從而實(shí)現(xiàn)功 率因數(shù)校正，率因數(shù)校正，稱為稱為APFCAPFC（有源功率因數(shù)校正）技術(shù)（有源功率因數(shù)校正）技術(shù)。 n利用有源功率因數(shù)校正技術(shù)可以使交流輸入利用有源功率因數(shù)校正技術(shù)可以使交流輸入電流電流波形完波形完 全跟蹤交流輸入全跟蹤交流輸入電壓電壓波形，使輸入電流波形呈純正弦波，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，所以有

12、的地方又把有源功率因數(shù)校正電路叫做電阻，所以有的地方又把有源功率因數(shù)校正電路叫做電電 阻仿真器。阻仿真器。 四、四、 PWMPWM整流電路的工作原理整流電路的工作原理 n單相全橋電路單相全橋電路 PWMPWM整流電路的運(yùn)行方式向量圖整流電路的運(yùn)行方式向量圖 PWM PWM 整流器的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖整流器的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 五、五、開關(guān)電源中開關(guān)電源中有源功率因數(shù)校正方法分類有源功率因數(shù)校正方法分類 n1 1、按有源功率因數(shù)校正電路結(jié)構(gòu)分類、按有源功率因數(shù)校正電路結(jié)構(gòu)分類 n（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）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)

13、電平浮動(dòng)，很少被采用。大，控制驅(qū)動(dòng)電平浮動(dòng)，很少被采用。 n（2 2）升）升/ /降壓式：需用二個(gè)功率開關(guān)管，有一個(gè)功率開關(guān)管降壓式：需用二個(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。的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)浮動(dòng)，電路復(fù)雜，較少采用。 n（3 3）反激式：輸出與輸入隔離，輸出電壓可以任意選擇，采）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，適用于用簡(jiǎn)單電壓型控制，適用于150W 150W 以下功率的應(yīng)用場(chǎng)合。以下功率的應(yīng)用場(chǎng)合。 n（4 4）升壓式（）升壓式（boostboost）：簡(jiǎn)單電流型控制，）：簡(jiǎn)單電流型控制，PF PF 值高，總諧波值高，總諧

14、波 失真（失真（THDTHD）小，效率高，但是輸出電壓高于輸入電壓。適用）小，效率高，但是輸出電壓高于輸入電壓。適用 于于75W2000W 75W2000W 功率范圍的應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)用最為廣泛。功率范圍的應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)用最為廣泛。 升壓式和反激式主電路升壓式和反激式主電路 升壓式（升壓式（boostboost）APFCAPFC電路優(yōu)點(diǎn)：電路優(yōu)點(diǎn)： n1 1）電路中的電感）電路中的電感L L 適用于電流型控制。適用于電流型控制。 n2 2）由于升壓型）由于升壓型APFC APFC 的預(yù)調(diào)整作用在輸出電容器的預(yù)調(diào)整作用在輸出電容器C C 上保持高電壓，所以電容器上保持高電壓，所以電容器C C 體積小、

15、儲(chǔ)能大。體積小、儲(chǔ)能大。 n3 3）在整個(gè)交流輸入電壓變化范圍內(nèi)能保持很高的）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)。功率因數(shù)。 n4 4）輸入電流連續(xù)，并且在）輸入電流連續(xù)，并且在APFC APFC 開關(guān)瞬間輸入電開關(guān)瞬間輸入電 流小，易于流小，易于EMI EMI 濾波。濾波。 n5 5）升壓電感）升壓電感L L 能阻止快速的電壓、電流瞬變，提能阻止快速的電壓、電流瞬變，提 高了電路工作可靠性。高了電路工作可靠性。 六、有源功率因數(shù)校正方法分類六、有源功率因數(shù)校正方法分類 2 2、按輸入電流的控制原理分類、按輸入電流的控制原理分類 n（1 1）平均電流）平均電流 型。型。 n（2

16、 2）滯后電流）滯后電流 型。型。 n（3 3）峰值電流）峰值電流 型。型。 n（4 4）電壓控制）電壓控制 型。型。 七、七、APFCAPFC的工作原理的工作原理 n1 1、平均電流型、升壓式、平均電流型、升壓式APFCAPFC的工作原理：輸入電壓和校的工作原理：輸入電壓和校 正后電流為同相位單相脈動(dòng)波。正后電流為同相位單相脈動(dòng)波。 平均電流型、升壓式平均電流型、升壓式APFCAPFC的工作原理電路的工作原理電路 關(guān)鍵公式：關(guān)鍵公式： )/1/(TTVV onino PWMPWM和電流波形圖和電流波形圖 n2 2、平均電流型、升壓式、平均電流型、升壓式APFCAPFC的工作框圖。的工作框圖。

17、 n3 3、平均電流型、升壓式、平均電流型、升壓式APFCAPFC的電路原理圖的電路原理圖 n3 3、平均電流型、升壓式、平均電流型、升壓式APFCAPFC的電路工作示意圖的電路工作示意圖 4 4、控制模塊內(nèi)部功能框圖說明、控制模塊內(nèi)部功能框圖說明 n1 1電壓調(diào)節(jié)器；電壓調(diào)節(jié)器； n2 2乘法器；乘法器； n3 3電流調(diào)節(jié)器；電流調(diào)節(jié)器； n4 4載波發(fā)生器；載波發(fā)生器； n5 5SPWMSPWM信號(hào)比較器；信號(hào)比較器； n6 6驅(qū)動(dòng)器；驅(qū)動(dòng)器； n7 7輸出電壓快速調(diào)輸出電壓快速調(diào) 節(jié)器節(jié)器。 5 5、主電路波形圖、主電路波形圖 主電路波形圖主電路波形圖(1)(1) 主電路波形圖主電路波形

18、圖(2) 八、八、PFC PFC 的實(shí)際設(shè)計(jì)及應(yīng)用的實(shí)際設(shè)計(jì)及應(yīng)用 nUC3854UC3854是一種工作于平均電流的的升壓型是一種工作于平均電流的的升壓型APFC APFC 電電 路控制芯片，它的峰值開關(guān)電流近似等于輸入電路控制芯片，它的峰值開關(guān)電流近似等于輸入電 流，是目前使用最廣泛的流，是目前使用最廣泛的APFC APFC 電路控制芯片。電路控制芯片。 n 1 1、UC3854 UC3854 的特性的特性 n(1)(1)升壓脈沖寬度調(diào)制升壓脈沖寬度調(diào)制, ,功率因數(shù)可達(dá)功率因數(shù)可達(dá)0.990.99 n(2)(2)市電電流諧波可達(dá)市電電流諧波可達(dá)5%5% n(3) (3) 寬市電電壓寬市電電壓, , 不需選擇開關(guān)不需選擇開關(guān) n(4)(4)前饋市電調(diào)節(jié)前饋市電調(diào)節(jié) n(5)(5)平均電流控制平均電流控制 n(6)(6)低噪音敏