電力電子技術(shù)課件：含有源功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)(PFC)的單相高頻整流

5.11含有源功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)(PFC)的單相高頻整流5.11.1諧波電流的危害及改善措施5.11.2含升壓(Boost)型功率因數(shù)校正器的高頻整流5.11.3帶反激式功率因數(shù)校正器的高頻整流5.11.1諧波電流的危害及改善措施

220V單相交流電網(wǎng)不控整流電容濾波的應(yīng)用極為廣泛，但主要缺點(diǎn)是：

(1)輸入交流電壓是正弦波，僅在交流電壓的瞬時(shí)值大于電容電壓時(shí)才有輸入電流，因此輸入交流電流波形嚴(yán)重畸變，呈脈沖狀。

(2)直流輸出電壓只與交流輸入電壓有關(guān)而不能調(diào)控。為了得到輸出可控的直流電壓，可采用相控整流。但相控整流直流電壓脈動(dòng)很大，且最低次諧波頻率為2次諧波，需要很大的濾波器才能得到平穩(wěn)的直流電壓。在相控直流電壓較低時(shí)電源功率因數(shù)低，同時(shí)交流電源輸入電流中仍含有大量的諧波電流。5.11.1諧波電流的危害及改善措施（續(xù)1）流過(guò)線路阻抗造成諧波電壓降，使電網(wǎng)電壓也發(fā)生畸變；可能危害通訊線路；會(huì)使線路和配電變壓器過(guò)熱，損壞電器設(shè)備；會(huì)引起電網(wǎng)LC諧振；高次諧波電流流過(guò)電網(wǎng)所產(chǎn)生的諧波電壓可能使電容器過(guò)流、過(guò)熱而爆炸；在三相四線制電路中，中線流過(guò)三相的三次諧波電流(3倍的3次諧波電流)，使中線過(guò)流而損壞；還使整流負(fù)載交流輸入端功率因數(shù)下降，其結(jié)果是發(fā)電、配電及變電設(shè)備的利用率降低，功耗加大，效率降低。

諧波電流對(duì)電網(wǎng)有嚴(yán)重的危害作用：5.11.1諧波電流的危害及改善措施（續(xù)2）為了減小AC-DC變流電路輸入端諧波電流造成的嚴(yán)重后果，確保電網(wǎng)良好運(yùn)行，提高電網(wǎng)的可靠性，同時(shí)也為了提高輸入端功率因數(shù)，必須限制AC-DC整流電路的輸入端諧波電流?，F(xiàn)在，限制電網(wǎng)諧波電流相應(yīng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)頒布實(shí)施，如IEC-555-2，EN60555-2等，一般規(guī)定各次諧波電流不得大于某極限值。表5.7給出了某一標(biāo)準(zhǔn)要求的諧波電流限制值。

表5.7AC-DC變流電路對(duì)輸入端諧波電流的限制值由于整流器輸入端功率因數(shù)PF不僅與基波電流的相位移角φ1有關(guān)，同時(shí)還與諧波電流的大小有關(guān)，不控整流能使基波電流與交流電源電壓基本同相，cosφ1=1，但呈脈沖狀的電流含有很大的諧波成份，因而交流電源的功率因數(shù)不高。…710302諧波電流％(以基波為基數(shù))…7次5次3次2次諧波階次圖5.35AC/DC整流電路5.35(1)附加無(wú)源濾波器

無(wú)源LC濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高、電磁干擾EMI小。缺點(diǎn)是：體積、重量大，難以得到高功率因數(shù)(一般提高到0.9左右)，工作性能與頻率、負(fù)載變化及輸入電壓變化有關(guān)，電感和電容間有大的充放電電流并可能引發(fā)電路L、C諧振等。

在圖示的整流器和電容之間接入一個(gè)濾波電感，增加導(dǎo)電寬度，減緩其脈沖性，從而減小電流的諧波成份。或者在交流側(cè)并聯(lián)接入LC濾波器，使諧波電流經(jīng)LC濾波器形成回路而不進(jìn)入交流電源。采用兩類技術(shù)措施可減小電源電流中的諧波電流，提高功率因數(shù)5.11.1諧波電流的危害及改善措施（續(xù)3）5.11.1諧波電流的危害及改善措施（續(xù)4）(2)附加有源功率因數(shù)校正器或采用高頻PWM整流不控整流電路與負(fù)載之間接入DC-DC開關(guān)變換器，用電流反饋技術(shù)使交流電源電流波形跟蹤交流輸入正弦電壓波形，并與之同相，從而使輸入端總諧波畸變率THD小于5％，而功率因數(shù)可提高到0.95或更高。

含有源功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)的單相整流被簡(jiǎn)稱為有源功率因數(shù)校正(ActivePowerFactorCorrection)APFC。它是將高頻PWMDC-DC變換應(yīng)用于單相整流，故也是一種單相高頻PWM整流。5.11.1諧波電流的危害及改善措施（續(xù)5）優(yōu)點(diǎn)：可得到較高的功率因數(shù)，如0.95~0.99，且THD??；可在較寬的輸入電壓范圍(如90~264VAC)下工作；體積、重量小；輸出電壓也可保持恒定，或被調(diào)控為指令值。不足:電能只能從交流電源流向直流側(cè)負(fù)載，而不可能將直流側(cè)的電能反送至交流電網(wǎng)，因此只是一種單向的PWM整流?，F(xiàn)在APFC技術(shù)已廣泛應(yīng)用于AC-DC開關(guān)電源、交流不間斷電源(UPS)、熒光燈電子鎮(zhèn)流器及其它電子儀器電源中。5.11.2含升壓(Boost)型功率因數(shù)校正器的高頻整流（續(xù)1）主電路：1)單相橋式不控整流器2)Boost變換器控制電路：1)電壓誤差放大器VAR2)電流誤差放大器CAR3)乘法器4)比較器C5)驅(qū)動(dòng)器6)其它相關(guān)電路

5.11.2含升壓(Boost)型功率因數(shù)校正器的高頻整流（續(xù)2）主電路拓?fù)涫且粋€(gè)全波整流器，實(shí)現(xiàn)AC→DC的變換，電壓波形不會(huì)失真；在濾波電容C之前是一個(gè)BoostConverter，實(shí)現(xiàn)升壓式

DC→DC的變換；從控制回路看，它由一個(gè)電壓外環(huán)和一個(gè)電流內(nèi)環(huán)構(gòu)成；升壓電感中的電流受到連續(xù)監(jiān)控和調(diào)節(jié)，使之能跟隨整流后正弦半波電壓波形。

電路特點(diǎn)：5.11.2含升壓(Boost)型功率因數(shù)校正器的高頻整流（續(xù)3）有源功率因數(shù)校正的控制思想思路:

主要是控制已整流后的電流，使之在對(duì)濾波大電容充電之前，能與整流后的電壓波形相同，從而避免電流脈沖的形成，達(dá)到改善功率因數(shù)的目的。Boost—APFC原理電路

5.11.2含升壓(Boost)型功率因數(shù)校正器的高頻整流（續(xù)4）有源功率因數(shù)校正器(APFC)工作原理

主電路的輸出電壓Vo和指令輸出電壓送入電壓誤差放大器VAR，進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，VAR的輸出是個(gè)直流量m；將二極管整流電壓檢測(cè)值vdc=|vS|(交流電源電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值)和VAR的輸出電壓信號(hào)m共同加到乘法器的輸入端，用乘法器的輸出m|vS|作為電感電流iL(|iS|=iL)指令ir；電流指令的波形與交流電源電壓相同，即與交流電源同相位的正弦波，大小ir(ir=mVdc)=m|VS|取決于實(shí)際電壓與電壓指令值的誤差。將ir與電感電流的檢測(cè)值iL=|iS|一起送入電流誤差比較器CAR，再進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，CAR的輸出作為開關(guān)管T的PWM驅(qū)動(dòng)控制電壓Vr，最后將Vr與一個(gè)恒頻三角波送入比較器C，C的輸出被取作開關(guān)管T的驅(qū)動(dòng)信號(hào)VG，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器功率放大后再驅(qū)動(dòng)開關(guān)器件T。5.11.2含升壓(Boost)型功率因數(shù)校正器的高頻整流（續(xù)5）

右圖給出輸入電壓vs、vdc和僅有很小紋波的iL、iS波形?？梢姡斎腚娏鞅桓哳lPWM調(diào)制成接近正弦(含有高頻紋波)的波形。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)：開關(guān)管T導(dǎo)通時(shí)，二極管電流為零，|iS|=iL=

iT

；開關(guān)管T斷開時(shí)，|iS|=iL=iD

，具有高頻紋波的輸入電流iS經(jīng)很小的LC濾波后即可得到較光滑的正弦波電流，它也正是每個(gè)開關(guān)周期中iS(iL)的平均值。5.11.2含升壓(Boost)型功率因數(shù)校正器的高頻整流（續(xù)6）Boost型功率因數(shù)校正器(APFC)的主要優(yōu)點(diǎn):(1)

輸入電流連續(xù)，電磁干擾EMI小。(2)

有輸入電感L，可減少對(duì)輸入濾波器的要求，并可防止電網(wǎng)對(duì)主電路高頻瞬態(tài)沖擊。(3)

開關(guān)器件T的電壓不超過(guò)輸出電壓值。缺點(diǎn)

(1)

輸入、輸出間沒有絕緣隔離

(2)BoostAPFC適用于1kW～2kW以下的負(fù)載至今已有許多適用于單相Boost型功率因數(shù)控制器(APFC)的集成控制電路芯片可供設(shè)計(jì)者選用。

5.11.3帶反激式功率因數(shù)校正器的高頻整流

上節(jié)介紹的是工作在連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)的Boost變換器應(yīng)用電流型跟蹤控制實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。本節(jié)介紹一種工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)的反激變換器用電壓型控制實(shí)現(xiàn)PFC的原理。

5.11.3帶反激式功率因數(shù)校正器的高頻整流（續(xù)1）在一個(gè)開關(guān)周期TS中當(dāng)開關(guān)管T導(dǎo)通時(shí)正弦半波正電壓vdc加在變壓器原方繞組等效電感L1兩端，i1從零上升到ip，電感儲(chǔ)能，這時(shí)變壓器副方繞組感應(yīng)電勢(shì)被二極管D阻斷，i2=0。當(dāng)開關(guān)管T截止、阻斷變壓器原方電路時(shí)，i1=0，原方繞組的磁能轉(zhuǎn)到副方繞組，副方繞組感應(yīng)電勢(shì)改變方向，使D導(dǎo)電，

i2向電容C充電并向負(fù)載供電，i2線性下降至零，電感L2釋放磁能。由于交流電源供給能量時(shí)變壓器副方斷電，只在原方繞組停止供電時(shí)，副方繞組在反電勢(shì)作用下才輸出功率，故這種電路被

稱為反激式電路帶反激式功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)的高頻整流電路主電路工作原理:5.11.3帶反激式功率因數(shù)校正器的高頻整流（續(xù)2）工頻半周期內(nèi)，在高頻PWM開關(guān)作用下的輸入電流波形圖。工作模式為不連續(xù)導(dǎo)電模式DCM，雙半波正弦虛線為電流峰值iP的包絡(luò)線iP的大小與開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間ton和直流電壓瞬時(shí)值Vdc=Vs的乘積成正比。在一個(gè)電源周期中，i1

為兩個(gè)近似的正弦半波，is為一個(gè)近似的正弦波。由于脈動(dòng)頻率很高，峰值ip及其平均值都正比于該瞬間的正弦電壓瞬時(shí)值，故經(jīng)不大的L、C濾波器在交流電源輸入端濾波后即可將變?yōu)榕c電源電壓同相的正弦電流。

5.8三相高頻PWM整流5.8.1能量可回饋的高頻PWM整流電路采用高功率因數(shù)、低諧波的高頻開關(guān)模式PWM整流器替代傳統(tǒng)的二極管不控整流和晶閘管相控整流裝置是大勢(shì)所趨。特別是在中小功率領(lǐng)域，在直流側(cè)并聯(lián)一個(gè)大電容，構(gòu)成電壓型PWM整流器，是能量可雙向流動(dòng)的高頻PWM整流器的主流。除必須具有輸入電感外，PWM整流器的主電路結(jié)構(gòu)和逆變器是一樣的。輸出直流電壓不變，開關(guān)管按正弦規(guī)律作脈寬調(diào)制，交流側(cè)電壓vi是和逆變器輸出電壓類似的SPWM電壓波。由于電感的濾波作用，交流電流中諧波電流不大。忽略vi中的諧波，可以看作是可控正弦交流電壓源，與電網(wǎng)的正弦電壓vs作用在輸入電感L，產(chǎn)生正弦輸入電流?？刂苬i的幅值相位，可獲所需大小相位的輸入電流，并保持直流電壓給定。這種高頻PWM整流是升壓變換，Vdc總是大于交流電源電壓峰值Vsm。能量可雙向流動(dòng)，既可運(yùn)行在整流狀態(tài)，也可運(yùn)行在逆變狀態(tài)，作整流器只是它們的功能之一。上述的主電路結(jié)構(gòu)還可以用于無(wú)功補(bǔ)償器，有源電力濾波器，風(fēng)力、太陽(yáng)能發(fā)電，電力儲(chǔ)能系統(tǒng)，有源電力負(fù)載等應(yīng)用領(lǐng)域，其控制方式和整流器控制也有很多相近的地方。5.8.2交流／直流雙向PWM變換器工作原理理想的交／直流雙向變換器是：1）輸出直流電壓平穩(wěn)且可以迅速地調(diào)節(jié)控制。2）輸入的交流電源電流波形正弦化。3）輸入的交流電流的功率因數(shù)PF可控制為任意正值或負(fù)值指令值。4）交／直流之間的功率流向可以是雙向可控的，既可實(shí)現(xiàn)整流，又可實(shí)現(xiàn)逆變。5）變換器是無(wú)損耗的。即變換器中的電感、電容、變壓器及開關(guān)器件都是理想的無(wú)損耗器件，變換器效率為1。則理想的交流／直流變換應(yīng)該是：理想的三相橋變換器交流側(cè)相電壓應(yīng)為：

當(dāng)電壓vi數(shù)值較大以致于vicosδ>Vs時(shí)，則Iq為負(fù)，Q為負(fù)，即交流電源向變換器輸出容性(超前)無(wú)功電流、無(wú)功功率，或交流電源從變換器輸入感性(滯后)無(wú)功電流、無(wú)功功率。當(dāng)電壓vi較小，vicosδ＜Vs時(shí)，Iq為正，Q為正，即交流電源向變換器輸出感性無(wú)功電流、無(wú)功功率。當(dāng)vi相位滯后于vs，即δ為正值時(shí)Id為正值，P為正，表示交流電源向變換器輸出有功功率，經(jīng)變換器輸出直流電能給直流負(fù)載，變換器工作于整流狀態(tài)；反之當(dāng)vi的相位超前vs，則δ為負(fù)值，Id為負(fù)值，P為負(fù)，表示交流電源從變換器輸入有功功率，即變換器將直流電源電能變?yōu)榻涣麟娔芊此徒o交流電源，變換器工作于逆變狀態(tài)。兩個(gè)交流電源vs和vi，它們之間的有功電流Id、有功功率P總是從相位超前的電