開關(guān)電源功率因數(shù)校正電路原理說明

1、西安賽維技術(shù)培訓(xùn)西安賽維技術(shù)培訓(xùn)開關(guān)電源功率因數(shù)校正原理開關(guān)電源功率因數(shù)校正原理（）（） 西安賽維培訓(xùn)資料新技術(shù)類 西安賽維西安賽維 劉長軍劉長軍西安賽維技術(shù)培訓(xùn)西安賽維技術(shù)培訓(xùn)一、什么是功率因數(shù)補償，什么是功率因數(shù)校正：一、什么是功率因數(shù)補償，什么是功率因數(shù)校正：功率因數(shù)的定義為有功功率與視在功率的比值功率因素補償:這項技術(shù)主要是針對因具有感性負載的交流用電器具的電壓和電流不同相(圖1)而引起的供電效率低下,提出的改進方法(由于感性負載的電流滯后所加電壓,電壓和電流的相位不同,使供電線路的負擔(dān)加重,導(dǎo)致供電線路效率下降,這就要求在感性用電器具上并聯(lián)一個性質(zhì)相反的電抗元件.用以調(diào)整該用電器具的

2、電壓、電流相位特性.例如:當(dāng)時要求所使用的40W日光燈必須并聯(lián)一個4.75F的電容器).用電容器并聯(lián)在感性負載的兩端,利用電容上電流超前電壓的特性,用以補償電感上電流滯后電壓的特性,使總的特性接近于阻性,從而改善效率低下的方法叫做功率因數(shù)補償(交流電的功率因數(shù)可以用電源電壓與負載電流兩者相位角的余弦函數(shù)值cos表示)。西安賽維技術(shù)培訓(xùn)西安賽維技術(shù)培訓(xùn) 圖圖1 1 在具有感性負載中供電線路中電壓和電流的波形在具有感性負載中供電線路中電壓和電流的波形西安賽維技術(shù)培訓(xùn)西安賽維技術(shù)培訓(xùn) 常規(guī)開關(guān)電源功率因數(shù)低是由于開關(guān)電源都是在整流后,用一個大容量的濾波電容使輸出電壓平滑,因此負載特性呈現(xiàn)容性.這就造

3、成了交流220V在整流后,由于濾波電容的充、放電作用,在其兩端的直流電壓上出現(xiàn)略呈鋸齒波的紋波.濾波電容上電壓的最小值遠非為零,與其最大值(紋波峰值)相差并不多. 圖圖2 2 全波整流電壓和全波整流電壓和ACAC輸入電流波形輸入電流波形西安賽維技術(shù)培訓(xùn)西安賽維技術(shù)培訓(xùn)因為根據(jù)整流二極管的單向?qū)щ娦?只有在AC線路電壓瞬時值高于濾波電容上的電壓時,整流二極管才會因正向偏置而導(dǎo)通,而當(dāng)AC輸入電壓瞬時值低于濾波電容上的電壓時,整流二極管因反向偏置而截止.也就是說,在AC線路電壓的每個半周期內(nèi),只是在其峰值附近,二極管才會導(dǎo)通.雖然AC輸入電壓仍大體保持正弦波波形,但AC輸入電流卻呈高幅值的尖峰脈沖

4、,如圖2所示.這種嚴重失真的電流波形含有大量的諧波成份,引起線路功率因數(shù)嚴重下降. 在正半個周期內(nèi)(180),整流二極管的導(dǎo)通角大大小于180,甚至只有3070.由于要保證負載功率的要求,在極窄的導(dǎo)通角期間,會產(chǎn)生極大的導(dǎo)通電流,使供電電路中的供電電流呈脈沖狀態(tài).它不僅降低了供電的效率,更為嚴重的是,它在供電線路容量不足或電路負載較大時,會產(chǎn)生嚴重的交流電壓波形畸變(圖3),并產(chǎn)生多次諧波,從而干擾了其它用電器具的正常工作(這就是電磁干擾EMI和電磁兼容EMC問題)。西安賽維技術(shù)培訓(xùn)西安賽維技術(shù)培訓(xùn) 圖圖3 3 正常供電電壓波形和接入容性負載后電壓波形畸變正常供電電壓波形和接入容性負載后電壓波

5、形畸變西安賽維技術(shù)培訓(xùn)西安賽維技術(shù)培訓(xùn)二、怎樣進行功率因數(shù)校正二、怎樣進行功率因數(shù)校正：1、功率因數(shù)校正:(PFC)我們目前使用的電視機,由于采用了高效的開關(guān)電源,而開關(guān)電源內(nèi)部電源輸入部分,無一例外的采用了二極管全波整流及濾波電路,如圖4A所示,其電壓和電流波形如圖4B所示。圖圖4 4 全橋整流濾波電路及電壓和電流波形圖全橋整流濾波電路及電壓和電流波形圖西安賽維技術(shù)培訓(xùn)西安賽維技術(shù)培訓(xùn) 如果在整流濾波后不加濾波電路,僅為足性負載時,輸入電流即為正弦波.并且與電源電壓同相位,功率因數(shù)為1.因此,功率因數(shù)校正電路的基本思想就是將整流電路與濾波電容隔開,使整流電路由電容性負載變成電阻性負載. 功率

6、因數(shù)校正電路其實就是一個AC/DC變換器.它是利用脈沖波寬度調(diào)變(PWM)技術(shù)來調(diào)整輸入功率的大小,以供應(yīng)適當(dāng)?shù)呢撦d所需的功率.脈沖波寬度調(diào)變器控制切換開關(guān)將直流輸入電壓變換成一串電壓脈沖波,隨后利用變壓器和快速二極管將其轉(zhuǎn)換成平滑的直流電壓輸出.這個輸出電壓隨即與一個參考電壓進行比較,所產(chǎn)生的電壓差反饋至PWM控制器.這個誤差電壓信號用來改變脈沖波寬度的大小.如果輸出電壓過高,脈沖波電壓會減小,進而使輸出電壓降低,使輸出電壓恢復(fù)至正常輸出值. PFC電路就是利用這個方法,但是加入了一個電路,使的來自交流電源的電流是一個正弦波并與交流電壓同相位.此時誤差電壓信號的調(diào)變是由整流后的交流電壓和輸出

7、電壓的變化來控制的,最后誤差電壓信號反饋至PWM控制器.也就是說,當(dāng)交流電壓高時,PFC電路就從交流電源吸取較多的功率;反之,若交流電壓較低,則吸收較少的功率,這樣就可以抑制交流電流諧波的產(chǎn)生.西安賽維技術(shù)培訓(xùn)西安賽維技術(shù)培訓(xùn)為了抑制電流波形的畸變及提高功率因數(shù),現(xiàn)代的功率較大(大于85W)具有開關(guān)電源(容性負載)的用電器具,必須采用PFC措施,PFC分為有源PFC和無源PFC兩種方式。2 2、無源、無源PFCPFC電路：電路：不使用晶體管等有源器件組成的校正電路,一般由二極管、電阻、電容和電感等無源器件組成。這種電路主要是在整流橋堆和濾波電容之間加一只電感(適當(dāng)選取電感量),利用電感上電流不

8、能突變的特性來平滑電容充電強脈沖的波動,改善供電線路電流波形的畸變,并且利用電感上電壓超前電流的特性也補償濾波電容電流超前電壓的特性,使功率因數(shù)、電磁兼容和電磁干擾得以改善,如圖5所示.西安賽維技術(shù)培訓(xùn)西安賽維技術(shù)培訓(xùn) 圖圖5 5 無源無源PFCPFC電路電路西安賽維技術(shù)培訓(xùn)西安賽維技術(shù)培訓(xùn)此種方式還不能稱為真正的無源PFC電路,只是一種簡單的補償措施,可以應(yīng)用在前期設(shè)計的無PFC功能的設(shè)備上,簡單的增加一個合適的電感(適當(dāng)選取L和C的值),從而達到具有抑制電流瞬時突變的目的.但是這種簡單的低成本的補救方法,輸出紋波較大,濾波電容兩端的直流電壓也較低,電流畸變的校正及功率因數(shù)補償?shù)哪芰Χ己懿?

9、而且L的繞制及鐵芯的質(zhì)量控制不好,會對圖像及伴音產(chǎn)生嚴重的干擾,只能是對于前期無PFC設(shè)備使之能進入市場的臨時措施。3 3、有源、有源PFCPFC電路的原理：電路的原理： 有源PFC電路則有很好的效果,基本上可以完全消除電流波形的畸變,而且電壓和電流的相位可以控制保持一致,它基本上完全解決了功率因數(shù)、電磁兼容、電磁干擾的問題,但是電路非常的復(fù)雜.其基本思路是在220V整流橋堆后去掉濾波電容(以消除因電容充電造成的電流波形畸變及相位變化),由一個“斬波”電路把脈動的直流變成高頻(約100KHz)交流經(jīng)過整流濾波后,其直流電壓再向常規(guī)的PWM開關(guān)穩(wěn)壓電源供電,其過程是ACDCACDC。西安賽維技術(shù)

10、培訓(xùn)西安賽維技術(shù)培訓(xùn)有源PFC電路的基本原理是在開關(guān)電源的整流電路和濾波電容之間增加一個DCDC的斬波電路,如圖6所示(斬波電路等于附加一個開關(guān)電源). 圖圖6 6 有源有源PFCPFC電路電路西安賽維技術(shù)培訓(xùn)西安賽維技術(shù)培訓(xùn) 對于供電線路來說,該整流電路輸出沒有直接接濾波電容,所以其對于供電線路來說呈現(xiàn)的是純阻性的負載,其電壓和電流波形同相、相位相同.斬波電路的工作也類似于一個開關(guān)電源,所以說有源PFC開關(guān)電源就是一個雙開關(guān)電源的開關(guān)電源電路,它是由斬波器(我們以后稱它為:“PFC開關(guān)電源”)和穩(wěn)壓開關(guān)電源(我們以后稱它為“PWM開關(guān)電源”)組成的.4 4、斬波器部分、斬波器部分:(PFC:

11、(PFC開關(guān)電源開關(guān)電源) )整流二極管整流以后不加濾波電容器,把未經(jīng)濾波的脈動正半周電壓作為斬波器的供電電源,由于斬波器一連串做“開關(guān)”工作脈動的正電壓被“斬”成圖7所示的電流波形,其波形的特點：（1）電流波形是斷續(xù)的,其包絡(luò)線和電壓波形相同,并且包絡(luò)線和電壓波形相位同相； （2）由于斬波作用,半波脈動的直流電變成高頻(由斬波頻率決定,約 100KHz).西安賽維技術(shù)培訓(xùn)西安賽維技術(shù)培訓(xùn)黑色實線為電壓波形紅色虛線為電流包絡(luò)波形紅色虛線為電流包絡(luò)波形圖圖7 7 斬波器輸出的電壓和電流波形圖斬波器輸出的電壓和電流波形圖西安賽維技術(shù)培訓(xùn)西安賽維技術(shù)培訓(xùn)（3）從外供電總的看,該用電系統(tǒng)做到了交流電壓

12、和交流電流同相,并且電壓波形和電流波形均符合正弦波形,既解決了功率因數(shù)補償問題,也解決了電磁兼容(EMC)和電磁干擾(EMI)問題。該高頻“交流”電再經(jīng)過整流二極管整流,并經(jīng)過濾波變成直流電壓(電源)向后級的PWM開關(guān)電源供電,該直流電壓在某些資料上把它稱為B+PFC(海信等離子TPW4211即是如此).斬波器輸出的B+PFC電壓一般高于原220V交流整流濾波后的+300V,其原因是選用高電壓、電感的線徑小、線路壓降小、濾波電容容量小、濾波效果好,對后級PWM開關(guān)管要求低等等諸多好處。 西安賽維技術(shù)培訓(xùn)西安賽維技術(shù)培訓(xùn)5 5、目前、目前PFCPFC開關(guān)電源部分開關(guān)電源部分, ,起到開關(guān)作用的斬

13、波管起到開關(guān)作用的斬波管(K)(K)有兩種工有兩種工作方式：作方式：（1 1）連續(xù)導(dǎo)通模式）連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)(CCM)：開關(guān)管的工作頻率一定,而導(dǎo)通的占空比(系數(shù))隨被斬波電壓的幅度變化而變化,如圖8所示。圖中T1和T2的位置:T1在被斬波電壓(半個周期)的低電壓區(qū),T2在被斬波電壓的高電壓區(qū),T1(時間)T2(時間).從圖中可以看到,所有的開關(guān)周期時間都相等,這說明在被斬波電壓的任何幅度時,斬波管的工作頻率不變.從圖8中可以看出,在高電壓區(qū)和低電壓區(qū),每個斬波周期內(nèi)的占空比不同(T1和T2的時間相同,而上升脈沖的寬度不同),被斬波電壓為零時(無電壓),斬波頻率仍然不變,所以稱為連續(xù)導(dǎo)通

14、模式(CCM),該種模式一般應(yīng)用在250W2000W的設(shè)備上。西安賽維技術(shù)培訓(xùn)西安賽維技術(shù)培訓(xùn) 圖圖8 8 連續(xù)導(dǎo)通模式連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)(CCM)西安賽維技術(shù)培訓(xùn)西安賽維技術(shù)培訓(xùn)（2 2）不連續(xù)導(dǎo)通模式）不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)(DCM)：斬波開關(guān)管的工作頻率隨被斬波電壓的大小變化,每一個開關(guān)周期內(nèi)“開”、“關(guān)”的時間相等,如圖9所示.T1和T2時間不同,也反映隨著電壓幅度的變化其斬波頻率也相應(yīng)變化.被斬波電壓為“零”時,開關(guān)停止(振蕩停止),所以稱為不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM),即有輸入電壓斬波管工作,無輸入電壓斬波管不工作.它一般應(yīng)用在250以下的小功率設(shè)備上,例如:海信TLM3277液

15、晶電視接收機開關(guān)電源的PFC部分即工作在DCM模式 （3 3）臨界導(dǎo)通模式）臨界導(dǎo)通模式(CRM)(CRM)或過渡模式或過渡模式(TCM)(TCM)：工作介于CCM和DCM之間,工作更接近DCM模式.在上一個導(dǎo)通周期結(jié)束后,下一個導(dǎo)通周期之前,電感電流將衰減為零,而且頻率隨著線路電壓和負載的變化而變化。優(yōu)點:廉價芯片、便于設(shè)計,沒有開關(guān)的導(dǎo)通損耗,升壓二極管的選擇并非決定性的；缺點:由于頻率變化,存在潛在的EMI問題,需要一個設(shè)計精確的輸入濾波器。西安賽維技術(shù)培訓(xùn)西安賽維技術(shù)培訓(xùn) 圖圖9 9 不連續(xù)導(dǎo)通模式不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)(DCM)西安賽維技術(shù)培訓(xùn)西安賽維技術(shù)培訓(xùn) 6 6、開關(guān)穩(wěn)壓電源部分、開關(guān)穩(wěn)壓電源部分:(PWM:(PWM開關(guān)電源開關(guān)電源) )該開關(guān)穩(wěn)壓電源(PWM)是整個具有PFC功能開關(guān)電源的一部分,其工作原理及穩(wěn)壓性能和普通的電視機開關(guān)穩(wěn)壓電源一樣,所不同的是普通開關(guān)穩(wěn)壓電源供電是由交流220V整流供電,而此開關(guān)電源供電是由B+PFC供電(B+PFC選取的是+380V)。目前應(yīng)用的具有功率因數(shù)校正開關(guān)電源中,PFC開關(guān)電源部分和PWM開關(guān)電源部分的激勵部