有源功率因數(shù)校正

有源功率因數(shù)校正小組成員：徐勇、常惜陽(yáng)、付美真、王啟龍、王嘉煒、陳玉民、管紅立、瞿林飛、田小龍、王彥剛有源功率因數(shù)校正有源功率因數(shù)校正概述分類(lèi)根據(jù)APFC拓?fù)浞诸?lèi)

根據(jù)輸入電壓不同分類(lèi)

根據(jù)電感電流控制方式分類(lèi)總結(jié)

有源功率因數(shù)校正功率因數(shù)校正技術(shù)包括無(wú)源功率因數(shù)校正和有源功率因數(shù)校正.無(wú)源校正電路通常由大容量的電感、電容組成,只能將功率因數(shù)提高到0.7~0.8,一般應(yīng)用在中小功率電源中.有源功率因數(shù)校正電路是在橋式整流器與輸出電容濾波器之間加入一個(gè)功率變換電路,能夠使功率因數(shù)提高到接近1,它工作于高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài),體積小、重量輕,比無(wú)源功率因數(shù)校正電路效率高,從20世紀(jì)80年代中后期開(kāi)始成為電力電子領(lǐng)域研究的熱點(diǎn),90年代后得到了迅速推廣.有源功率因數(shù)校正有源功率因數(shù)校正(APFC)電路是在整流器和負(fù)載之間接入一個(gè)DC/DC開(kāi)關(guān)變換器,應(yīng)用電壓電流反饋技術(shù),使輸入端電流波形跟隨輸入正弦電壓波形,從而使輸入電流的波形也接近正弦波,以達(dá)到提高功率因數(shù)的目的.由于在此電路中使用了有源器件,所以稱(chēng)為有源功率因數(shù)校正電路。圖1有源功率因數(shù)校正原理根據(jù)APFC拓?fù)浞诸?lèi)降壓式升/降壓式反激式升壓式有源功率因數(shù)校正降壓式

這種電路的主要優(yōu)點(diǎn)是：開(kāi)關(guān)管所受的最大電壓為輸人電壓的最大值，因此開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力較小;當(dāng)后級(jí)短路時(shí)，可以利用開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)輸出短路保護(hù)。

該電路的主要缺點(diǎn)是：由于只有在輸人電壓高于輸出電壓時(shí)，該電路才能工作，所以在每個(gè)正弦周期中，該電路有一段因輸人電壓低而不能正常工作，輸出電壓較低，在相同功率等級(jí)時(shí)，后級(jí)DC/DC變換器電流應(yīng)力較大;開(kāi)關(guān)管門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)地與輸出地不同，驅(qū)動(dòng)較復(fù)雜，加之輸人電流斷續(xù)，功率因數(shù)不可能提高很多，因此很少被采用。有源功率因數(shù)校正有源功率因數(shù)校正升降壓式該電路的優(yōu)點(diǎn)是：既可對(duì)輸人電壓升壓又可以降壓，因此在整個(gè)輸入正弦周期都可以連續(xù)工作;該電路輸出電壓選擇范圍較大，可根據(jù)一級(jí)的不同要求設(shè)計(jì);利用開(kāi)關(guān)管可實(shí)現(xiàn)輸出短路保護(hù)。該電路的主要缺點(diǎn)有：開(kāi)關(guān)管所受的電壓為輸入電壓與輸出電壓之和，因此開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力較大;由于在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，只有在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)才有輸入電流，因此峰值電流較大;開(kāi)關(guān)管門(mén)極驅(qū)動(dòng)信號(hào)地與輸出地不同，驅(qū)動(dòng)比較復(fù)雜;輸出電壓極性與輸入電壓極性相反，后級(jí)逆變電路較難設(shè)計(jì)，因此也采用得較少。有源功率因數(shù)校正反激式反激式的輸出與輸入隔離,輸出電壓可以任意選擇,采用簡(jiǎn)單電壓型控制,適用于150W以下功率的應(yīng)用場(chǎng)合。升壓式

升壓式是簡(jiǎn)單的電流型控制,PF值高、DTH小、效率高,但是輸出電壓高于輸入電壓,適用于75~2000W功率范圍的應(yīng)用場(chǎng)合。升壓式APFC具有以下優(yōu)點(diǎn):1)電路中的電感L適用于電流型控制;2)由于升壓型APFC的預(yù)調(diào)整作用在輸出電容器上保持高電壓,所以電容器體積小、儲(chǔ)能大;

3)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);

4)當(dāng)輸入電流連續(xù)時(shí),易于EMI濾波;

5)升壓電感L能阻止快速的電壓、電流瞬變,因而可提高電路工作的可靠性.因此,目前升壓式有源功率校正電路應(yīng)用最為廣泛。有源功率因數(shù)校正根據(jù)輸入電壓不同分類(lèi)三相

兩級(jí)PFC單相

單級(jí)PFC有源功率因數(shù)校正三相PFC

三相PFC有輸入功率高等優(yōu)點(diǎn),然而它又存在三相之間耦合問(wèn)題的嚴(yán)重缺點(diǎn),控制機(jī)理復(fù)雜,研究難度大,所以單相PFC的研究較多并相對(duì)成熟。有源功率因數(shù)校正兩級(jí)PFC

兩級(jí)PFC方案如圖2所示.所謂兩級(jí),指的是PFC前置級(jí)和DC/DC后隨級(jí)。

PFC前置級(jí)使輸入電流跟隨輸入電壓,實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正;DC/DC后隨級(jí)實(shí)現(xiàn)隔離和降壓。

其優(yōu)點(diǎn)是每級(jí)電路可單獨(dú)分析、設(shè)計(jì)和控制,特別適合作為分布式電源系統(tǒng)的前置級(jí)。有源功率因數(shù)校正圖2兩級(jí)PFC方案BuckBoost（常用）Buck-Boost正激反激等

兩級(jí)PFC

兩級(jí)PFC雖然功率因數(shù)校正效果不錯(cuò),但由于用Boost升壓的電路母線電壓高于輸入電壓峰值,電容電壓過(guò)高。另外,由于兩級(jí)傳輸,使得控制復(fù)雜,傳輸效率低,成本也較高。有源功率因數(shù)校正單級(jí)PFC單極PFC將前置級(jí)Boost電路和后隨級(jí)反激或正激變換器環(huán)節(jié)MOSFET公用,如圖3所示。有源功率因數(shù)校正圖3單極PFC方案單極PFC

該方案與傳統(tǒng)的兩級(jí)電路相比省掉了一個(gè)MOSFET,增加了一個(gè)二極管,集功率因數(shù)校正和輸出隔離、電壓穩(wěn)定于一體,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,效率高.但分析和控制復(fù)雜,適用于單一集中式電源系統(tǒng)。

它的輸入電流有些畸變,但仍能滿足電流諧波含量的要求。另外，單極PFC還存在儲(chǔ)能電容上電壓高的問(wèn)題。有源功率因數(shù)校正

根據(jù)電感電流控制方式分類(lèi)

恒頻控制

不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)變頻控制等面積控制峰值電流控制直接電流控制平均電流控制連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)滯環(huán)電流控制間接電流控制臨界或過(guò)渡導(dǎo)通模式(TCM)有源功率因數(shù)校正不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)

DCM的控制又稱(chēng)電壓跟蹤方法,可以采用恒頻、變頻、等面積等多種方式。它工作在不連續(xù)導(dǎo)通模式,用電壓跟隨器的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)APFC,采用此方法比較簡(jiǎn)單、方便,但開(kāi)關(guān)峰值電流大,由此導(dǎo)致通態(tài)損耗增加.

同時(shí),功率因數(shù)與輸入和輸出電壓的比值有關(guān),當(dāng)輸入電壓變化時(shí),功率因數(shù)也將發(fā)生變化,因此,DCM方式的APFC電路很少被采用。有源功率因數(shù)校正連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)

CCM模式下的電流控制是目前應(yīng)用最多的控制方式。它是將輸入電壓信號(hào)與輸出電壓誤差信號(hào)相乘后作為電流控制器的電流給定信號(hào)，電流控制器控制輸入電流按給定信號(hào)變化，CCM模式根據(jù)反饋電流，產(chǎn)生了三種常用的控制方法：峰值電流控制、平均電流控制和滯環(huán)電流控制。CCM方式的APFC工作在連續(xù)導(dǎo)通模式,相對(duì)于DCM,CCM具有以下優(yōu)點(diǎn):輸入和輸出電流紋波小;器件導(dǎo)通損耗小;適用于大功率應(yīng)用場(chǎng)合。有源功率因數(shù)校正臨界或過(guò)渡導(dǎo)通模式(TCM)相對(duì)于CCM來(lái)說(shuō),TCM方式的輸入電流,輸出電壓的紋波比較大,因而對(duì)開(kāi)關(guān)的沖擊較大,同時(shí)開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通損耗也比較大.有源功率因數(shù)校正總結(jié)在功率因數(shù)校正中,CCM模式中直接電流控制依然是該領(lǐng)域發(fā)展的主流,適用于對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)和快速性要求較高的大功率場(chǎng)合.但同時(shí)DCM模式以及電壓控制方式也將成為研究的方向.而簡(jiǎn)化控制策略、降低PFC成本、提高響應(yīng)速度、降低器件