功率因數(shù)校正電路

1、西南交通大學(xué)電力電子技術(shù)電力電子技術(shù)Power Electronics功率因數(shù)校正電路功率因數(shù)校正電路西南交通大學(xué)第第1 1節(jié)節(jié) 功率因數(shù)功率因數(shù)(PF)(PF)的定義與的定義與PFCPFC電路的結(jié)構(gòu)電路的結(jié)構(gòu)PF PF 有功功率視在功率有功功率視在功率設(shè)交流電壓為正弦設(shè)交流電壓為正弦, ,電流非正弦電流非正弦, ,則只有基波電流產(chǎn)則只有基波電流產(chǎn)生有功功率，諧波與不產(chǎn)生有功功率生有功功率，諧波與不產(chǎn)生有功功率kkIIIUIUPFdcoscos2)1(222)1(22電流畸變系數(shù)電流畸變系數(shù)基波電流相位移系數(shù)基波電流相位移系數(shù)dkk總諧波失真總諧波失真(THD)電流總有效值電流總有效值Inin

2、II12)(西南交通大學(xué)總諧波電流有效值總諧波電流有效值In%100%100)1(2)1(2)1(IIIIITHDn2)1 (2IIIn電流畸變系數(shù)電流畸變系數(shù) 與與THDTHD關(guān)系關(guān)系dk%10011%100122)1(2dkIITHD采用電容濾波時(shí)交流側(cè)電流的波形和頻譜圖：采用電容濾波時(shí)交流側(cè)電流的波形和頻譜圖：電流中含有豐富的奇次諧波電流中含有豐富的奇次諧波西南交通大學(xué)交流側(cè)電壓、電流的波形與功率因數(shù)的關(guān)系：交流側(cè)電壓、電流的波形與功率因數(shù)的關(guān)系：1dk1k1dk1k1dk1k1dk1k單相單相PFCPFC的結(jié)構(gòu)：的結(jié)構(gòu)：?jiǎn)味藛味薖FCDCDCACDC隔離型隔離型PFCACDC可以精確調(diào)

3、節(jié)輸出電壓可以精確調(diào)節(jié)輸出電壓不能精確調(diào)節(jié)輸出電壓不能精確調(diào)節(jié)輸出電壓PFC和和DC/DC組合組合ACDCCB可以精確調(diào)節(jié)輸出電壓可以精確調(diào)節(jié)輸出電壓西南交通大學(xué)單相單相PFC兩級(jí)級(jí)聯(lián)兩級(jí)級(jí)聯(lián)單級(jí)單級(jí)1 1單級(jí)單級(jí)2 2并聯(lián)并聯(lián)BoostBuckBoostFlybackIso. BoostshowerBifredBibredResonantDitherVPECPWM Phase shift西南交通大學(xué)兩級(jí)級(jí)聯(lián)兩級(jí)級(jí)聯(lián)西南交通大學(xué)單級(jí)單級(jí)1 1西南交通大學(xué)第第2節(jié)節(jié) 升壓型升壓型 Boost PFC電路電路tIItVVininsin2sin2)2cos1 (tIVPininin)2cos1 (t

4、VIViViPoininDoDin)2sin(2,tCVIVvoininripoIV,inPoDvi ,ripov,西南交通大學(xué)常常 ( (恒恒) )頻斷續(xù)電流模式頻斷續(xù)電流模式 (DCM)PFC(DCM)PFC控制控制特點(diǎn)：導(dǎo)通時(shí)間保持為常數(shù)。開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于交特點(diǎn)：導(dǎo)通時(shí)間保持為常數(shù)。開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于交流電源頻率。電感電流不連續(xù)流電源頻率。電感電流不連續(xù)ontdt交流側(cè)電壓、電流為正弦，功率以交流側(cè)電壓、電流為正弦，功率以2 2倍網(wǎng)頻脈動(dòng)。倍網(wǎng)頻脈動(dòng)。當(dāng)負(fù)載電壓不變，交流分量全部流經(jīng)電容。輸出當(dāng)負(fù)載電壓不變，交流分量全部流經(jīng)電容。輸出電壓的紋波可由電容電流積分得出電壓的紋波可由電容電流積分得出

5、西南交通大學(xué)即電感電流峰值的包絡(luò)線為正弦即電感電流峰值的包絡(luò)線為正弦itsin是第是第i i個(gè)開關(guān)周期中的正弦中值個(gè)開關(guān)周期中的正弦中值( (或端點(diǎn)值或端點(diǎn)值) )每個(gè)開關(guān)周期中電感電流的平均值每個(gè)開關(guān)周期中電感電流的平均值 (與與td有關(guān)有關(guān))TttiiiidonLptLdtLdLddon2/ )()()(在一個(gè)開關(guān)周期中電感電流的平均值在一個(gè)開關(guān)周期中電感電流的平均值由于開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于交流電源頻率由于開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于交流電源頻率onimstLLpttLVdttuLionsin)(1,0西南交通大學(xué)iiOSOSOsooSsoSSsoSSdonLpLdttKVVVVLTDVVVVLTDVVVVL

6、TDVVVDTVDTLDVttTiisin1sin)/1/(22)1 (2)(2)(2222SOSonSOSSOLpdVVDTVtVVVVVLit電感電流衰減到零所需時(shí)間電感電流衰減到零所需時(shí)間在每個(gè)斬波周期電感電流平均值為在每個(gè)斬波周期電感電流平均值為西南交通大學(xué)LTDVKO221/OSVV在不同的在不同的下線電流的波形如圖下線電流的波形如圖 0.30.50.90.7BoostBoost電路中，電感電流是電源電流，所以能夠直電路中，電感電流是電源電流，所以能夠直接控制電源電流波形。開關(guān)在低電位端，控制容接控制電源電流波形。開關(guān)在低電位端，控制容易。當(dāng)在易。當(dāng)在DCMDCM方式下時(shí)，電路具有自

7、然的方式下時(shí)，電路具有自然的PFCPFC能力能力而不需要復(fù)雜的控制。而不需要復(fù)雜的控制。PFCPFC效果與效果與有關(guān)。有關(guān)。V VO O越高越高電流越正弦電流越正弦上式中上式中 西南交通大學(xué)電網(wǎng)電壓被當(dāng)作電流參電網(wǎng)電壓被當(dāng)作電流參考指令。電感電流與電考指令。電感電流與電流指令比較。當(dāng)電感電流指令比較。當(dāng)電感電流峰值小于指令值，開流峰值小于指令值，開關(guān)閉合，電感電流增大；關(guān)閉合，電感電流增大；當(dāng)電感電流峰值大于指當(dāng)電感電流峰值大于指令值，開關(guān)斷開，電感令值，開關(guān)斷開，電感電流減小。電感電流的電流減小。電感電流的峰值包絡(luò)線是正弦峰值包絡(luò)線是正弦CCMCCM控制控制-1) -1) 峰值電流控制峰值電

8、流控制DsVC1SLoVKCvrefcompRC西南交通大學(xué)當(dāng)輸出電壓變化時(shí)，等效參當(dāng)輸出電壓變化時(shí)，等效參考電流指令的大小發(fā)生變化，考電流指令的大小發(fā)生變化，開關(guān)時(shí)刻也相應(yīng)變化。當(dāng)輸開關(guān)時(shí)刻也相應(yīng)變化。當(dāng)輸出電壓出電壓誤差電壓誤差電壓電流電流指令變大指令變大電感電流增大電感電流增大輸出電壓輸出電壓由于電流跟蹤方式不能實(shí)現(xiàn)恒頻由于電流跟蹤方式不能實(shí)現(xiàn)恒頻PWM，這會(huì)產(chǎn)生，這會(huì)產(chǎn)生連續(xù)諧波譜，不利于濾波。需要增加一個(gè)定頻控制連續(xù)諧波譜，不利于濾波。需要增加一個(gè)定頻控制環(huán)節(jié)。即將比較器的輸出與一個(gè)鋸齒波相比較，再環(huán)節(jié)。即將比較器的輸出與一個(gè)鋸齒波相比較，再去控制開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷去控制開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)

9、斷西南交通大學(xué)CCMCCM控制控制-1) -1) 峰值電流控制仿真峰值電流控制仿真西南交通大學(xué)CCMCCM控制控制-2) -2) 平均值電流控制平均值電流控制compclockSR Q也可以采用一個(gè)也可以采用一個(gè)RS觸發(fā)器，在每個(gè)周期開始時(shí)導(dǎo)觸發(fā)器，在每個(gè)周期開始時(shí)導(dǎo)通，比較器輸出使通，比較器輸出使S斷開，實(shí)現(xiàn)恒頻控制斷開，實(shí)現(xiàn)恒頻控制電路如圖示。電感電流與電流參考進(jìn)行比較，結(jié)電路如圖示。電感電流與電流參考進(jìn)行比較，結(jié)果送果送PIPI調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器。PIPI輸出電壓與鋸齒電壓比較得到輸出電壓與鋸齒電壓比較得到開關(guān)通斷信號(hào)開關(guān)通斷信號(hào)西南交通大學(xué)DsVC1SLoVKCvrefcompRcPI當(dāng)電

10、感電流超過指令，當(dāng)電感電流超過指令，積分器反向積分，輸出積分器反向積分，輸出電壓變小，脈寬變窄；電壓變小，脈寬變窄；相反，脈寬變寬相反，脈寬變寬在一個(gè)控制周期中開關(guān)在一個(gè)控制周期中開關(guān)動(dòng)作時(shí)刻取決于誤差信動(dòng)作時(shí)刻取決于誤差信號(hào)的積分結(jié)果，所以，號(hào)的積分結(jié)果，所以，稱為平均值控制稱為平均值控制西南交通大學(xué)CCMCCM控制控制-2) -2) 平均值電流控制仿真平均值電流控制仿真西南交通大學(xué)其它具有自然其它具有自然PFCPFC能力的變換器拓?fù)淠芰Φ淖儞Q器拓?fù)銬sVBC1SLoV1L1CDCM SepicDCM Sepic電路電路其工作波形如圖。電感放電電流取決于其工作波形如圖。電感放電電流取決于C1

11、C1上電壓上電壓的大小的大小西南交通大學(xué)工作在工作在DCMDCM下的反激式變換器也具有自然的下的反激式變換器也具有自然的PFCPFC能能力。但是在力。但是在DCMDCM方式下，反激式變換器的輸出電壓方式下，反激式變換器的輸出電壓與負(fù)載有關(guān)，電源的性能要受到影響與負(fù)載有關(guān)，電源的性能要受到影響LmS+ +US- -Di1sTT輸入端的電流是：輸入端的電流是：iinmintVLTDisin22西南交通大學(xué)將將BoostBoost電路與電路與FlybackFlyback級(jí)聯(lián)起來。前者工作在級(jí)聯(lián)起來。前者工作在DCMDCM，后者工作在，后者工作在CCMCCM方式。這樣反激電路可同時(shí)方式。這樣反激電路可

12、同時(shí)實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)PFCPFC和準(zhǔn)確調(diào)壓和準(zhǔn)確調(diào)壓1DsVBC1SLBoostDCM 2SoC2DFlybackCCM 西南交通大學(xué)BIFREDBIFRED是具有是具有PFCPFC能力的單級(jí)反激式開關(guān)電源電路能力的單級(jí)反激式開關(guān)電源電路inV1SLoC2D1DBC第第3 3節(jié)節(jié) 具有具有PFCPFC能力的單級(jí)反激式開關(guān)電源電路能力的單級(jí)反激式開關(guān)電源電路iL1is1TiD2iCBmBLVminOBLVnVVminOBLVnVV)(2CBLmDiiniLmDnii21 sLmC BiiiiLm工作原理如下：工作原理如下：S S1 1閉合，電感閉合，電感L L充電，充電，C CB B經(jīng)經(jīng)S S1 1給給

13、T T的磁化電感充電。的磁化電感充電。S S流過流過上述兩部分電流。上述兩部分電流。D D2 2截止截止西南交通大學(xué)inVL1DoC2DBCinV1SLoC2D1DBC西南交通大學(xué)S S1 1斷開，電感電流經(jīng)斷開，電感電流經(jīng)C CB B和和T T流動(dòng)，給流動(dòng)，給C CB B儲(chǔ)能；同時(shí)儲(chǔ)能；同時(shí)T T的激磁電感也放電。兩部分電流均流過的激磁電感也放電。兩部分電流均流過D D2 2當(dāng)電感電流到零，磁化電流繼續(xù)流動(dòng)。磁化電流連當(dāng)電感電流到零，磁化電流繼續(xù)流動(dòng)。磁化電流連續(xù)。（注意續(xù)。（注意i iCBCB 不是磁化電流）不是磁化電流）開關(guān)導(dǎo)通變壓器儲(chǔ)能、斷開時(shí)放能。該電路屬反激開關(guān)導(dǎo)通變壓器儲(chǔ)能、斷開

14、時(shí)放能。該電路屬反激電路。只是放能過程中，電路。只是放能過程中，C CB B的充電電流也傳遞到變的充電電流也傳遞到變壓器的副邊。磁化電感工作在電流連續(xù)模式，輸出壓器的副邊。磁化電感工作在電流連續(xù)模式，輸出電壓與負(fù)載無關(guān)。電路性能比電壓與負(fù)載無關(guān)。電路性能比BoostBoost電路與電路與Fly Fly backback級(jí)聯(lián)要優(yōu)級(jí)聯(lián)要優(yōu)西南交通大學(xué)開關(guān)導(dǎo)通：開關(guān)導(dǎo)通： 電感電壓電源電壓；原邊電壓電感電壓電源電壓；原邊電壓CBCB電壓電壓 副邊電壓原邊電壓變比（副邊電壓原邊電壓變比（ 斷開）斷開）開關(guān)斷開：開關(guān)斷開： 原邊電壓輸入電壓電感電壓原邊電壓輸入電壓電感電壓C CB B電壓電壓 副邊電壓原

15、邊電壓變比副邊電壓原邊電壓變比所以，當(dāng)所以，當(dāng)C CB B電壓較大時(shí)可以降低輸出電壓（變比不電壓較大時(shí)可以降低輸出電壓（變比不變）變）BIFREDBIFREDBoost Integrated Flyback Boost Integrated Flyback Rectifier/Energy Storage DC-DC ConverterRectifier/Energy Storage DC-DC Converter西南交通大學(xué)在恒導(dǎo)通比控制時(shí)，升壓電感在在恒導(dǎo)通比控制時(shí)，升壓電感在DCMDCM方式下工作。方式下工作。電路的主要問題是要求電路的主要問題是要求C CB B上的直流電壓足夠高但上的直

16、流電壓足夠高但不能過高。當(dāng)電路輕載或空載時(shí)，不能過高。當(dāng)電路輕載或空載時(shí)，C CB B上的直流電上的直流電壓將不斷升高壓將不斷升高為了減小電容上的電壓，可以通過改變開關(guān)頻率為了減小電容上的電壓，可以通過改變開關(guān)頻率（也可以調(diào)導(dǎo)通比，但受（也可以調(diào)導(dǎo)通比，但受PFCPFC的限制）的方法來調(diào)的限制）的方法來調(diào)節(jié)。當(dāng)線電壓低或負(fù)載電流大時(shí)開關(guān)頻率降低；節(jié)。當(dāng)線電壓低或負(fù)載電流大時(shí)開關(guān)頻率降低；相反，升高開關(guān)頻率相反，升高開關(guān)頻率一般來說開關(guān)頻率大幅度變化是不可取的。通常一般來說開關(guān)頻率大幅度變化是不可取的。通常是在高壓與變頻間取折衷是在高壓與變頻間取折衷該電路是隔離型的該電路是隔離型的SepicSe

17、pic電路電路西南交通大學(xué)將將BoostBoost電路與電路與ForwardForward級(jí)聯(lián)起來。前者工作在級(jí)聯(lián)起來。前者工作在DCMDCM、后者工作在、后者工作在CCMCCM方式。電路可同時(shí)實(shí)現(xiàn)方式。電路可同時(shí)實(shí)現(xiàn)PFCPFC和準(zhǔn)確調(diào)壓和準(zhǔn)確調(diào)壓1DsVBC1SLBoostDCM 2SoC2DForwardCCM 1C西南交通大學(xué)西南交通大學(xué)BIBREDBIBRED電路是具有電路是具有PFCPFC能力的單級(jí)正激式開關(guān)電源能力的單級(jí)正激式開關(guān)電源電路。其工作原理如下：電路。其工作原理如下：S S1 1閉合，電感閉合，電感L L充電，充電，C CB B經(jīng)經(jīng)S S1 1加在加在T T的原邊。的原

18、邊。變壓器副邊電壓為變壓器副邊電壓為V VCBCBn n。D2D2兩端電兩端電壓為壓為V VCBCBn n V VC1 C1 D2截止截止sV1SL1DBCoC2D1CS S1 1斷開，變壓器磁化電流與斷開，變壓器磁化電流與L L放電電流流過變壓器。放電電流流過變壓器。C CB B充電。充電。D D2 2導(dǎo)通，兩個(gè)電流給導(dǎo)通，兩個(gè)電流給C C1 1充電。充電。C C1 1的電壓也為的電壓也為變壓器提供磁通復(fù)位的反壓變壓器提供磁通復(fù)位的反壓西南交通大學(xué)oC2D1CinVL1DBCsVL1DBCoC2D1C當(dāng)當(dāng)C CB B充電電流下降到零后，磁化電流繼續(xù)流動(dòng)。電充電電流下降到零后，磁化電流繼續(xù)流動(dòng)

19、。電路工作于路工作于CCMCCM西南交通大學(xué)iL1isTiD2iCBmBLVLVinniiIimCBOD)(2nIOCBLmsiii該電路的主要問題也是當(dāng)該電路的主要問題也是當(dāng)電路輕載或空載時(shí)，電路輕載或空載時(shí)， C CB B上的直流電壓將不斷升高。上的直流電壓將不斷升高。為了減小電容上的電壓，為了減小電容上的電壓，可以通過改變開關(guān)頻率可以通過改變開關(guān)頻率（而不是導(dǎo)通比，因調(diào)節(jié)（而不是導(dǎo)通比，因調(diào)節(jié)受受PFCPFC的限制）的方法來的限制）的方法來調(diào)節(jié)。當(dāng)輸入電壓低或負(fù)調(diào)節(jié)。當(dāng)輸入電壓低或負(fù)載電流大時(shí)開關(guān)頻率降低；載電流大時(shí)開關(guān)頻率降低；相反，升高開關(guān)頻率相反，升高開關(guān)頻率西南交通大學(xué)西南交通大

20、學(xué)DCMCCMVCB高高DCMDCMVCB低低PFCPFC和和DC/DCDC/DC組合組合ACDCCB與與CukCuk電路相比可知，該電電路相比可知，該電路可以看作是隔離型的路可以看作是隔離型的CukCuk電路。電路中增加的電路。電路中增加的C C1 1隔離隔離了輸出直流了輸出直流sV1SLBCoC2D反激變換器級(jí)聯(lián)的具有反激變換器級(jí)聯(lián)的具有PFCPFC能力的變換器能力的變換器當(dāng)兩個(gè)反激電路級(jí)聯(lián)時(shí)，由于該電路有自然的當(dāng)兩個(gè)反激電路級(jí)聯(lián)時(shí)，由于該電路有自然的PFCPFC能力（能力（DCMDCM），所以輸入電流可以為正弦。輸出電），所以輸入電流可以為正弦。輸出電壓經(jīng)壓經(jīng)CBCB供給下一級(jí)，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓

21、供給下一級(jí)，實(shí)現(xiàn)調(diào)壓西南交通大學(xué)FlybackDCM FlybackDCM 該電路的另一種形式如圖。這里電路可以省去一該電路的另一種形式如圖。這里電路可以省去一個(gè)開關(guān)。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，第一級(jí)由電源在供能，個(gè)開關(guān)。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，第一級(jí)由電源在供能，變壓器變壓器T T1 1儲(chǔ)能，第二級(jí)則是由儲(chǔ)能，第二級(jí)則是由C CB B給給T T2 2供能供能T T2 2儲(chǔ)能。儲(chǔ)能。sVBC1S1DoC2S2D西南交通大學(xué)1SBC1DsVoC3D2D1T2T開關(guān)斷開時(shí)，開關(guān)斷開時(shí)，T T1 1將能量交換到將能量交換到C CB B中，中，T T2 2交給負(fù)載。交給負(fù)載。S S斷開時(shí)斷開時(shí)T1T1原邊電流立刻終止（原邊

22、電流立刻終止（D D2 2）西南交通大學(xué)PFCPFCBuckBuckBoostBoost變換器變換器控制規(guī)則：根據(jù)整流電壓峰值與直流輸出電壓的相控制規(guī)則：根據(jù)整流電壓峰值與直流輸出電壓的相對(duì)大小，電路或工作于對(duì)大小，電路或工作于BoostBoost，或工作于，或工作于BuckBuckBuckBuck：S2S2斷開，斷開，S1S1工作工作BoostBoost：S1S1閉合，閉合，S2S2工作工作若輸入整流電壓幅值小于輸出電壓，則采用升壓方若輸入整流電壓幅值小于輸出電壓，則采用升壓方式。可以采用平均電流控制或電荷控制式?？梢圆捎闷骄娏骺刂苹螂姾煽刂苨V1SoC1DL2D2S西南交通大學(xué)該電路可用于輸出電壓變動(dòng)的情況或適應(yīng)寬范圍的該電路可用于輸出電壓變動(dòng)的情況或適應(yīng)寬范圍的電壓變動(dòng)電壓變動(dòng)若輸入整流電壓幅值一段時(shí)間低于輸出電壓一段時(shí)若輸入整流電壓幅值一段時(shí)間低于輸出電壓一段時(shí)間高于輸出電壓，則低于的做間高于輸出電壓，則低于的做BoostBoost控制，高于的控制，高于的做做BuckBuck控制?？刂啤Ｎ髂辖煌ù髮W(xué)第第4 4節(jié)節(jié) 三相三相PFCPFC三相三相PFCPFC三相整流橋三相整流橋BOOSTBOOST常常 ( (恒恒) )頻斷續(xù)電流模式頻斷續(xù)電流模式 (DCM)PF