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无源功率因数矫正电路的发展

网站编辑:大同变压器厂 │ 发表时间:2019-04-13 | 点击:579

APFC一般采用升压式,是由于其输入电流容易连续。在电子技术及电子仪器仪表中,从220V电网通过非控整流获得电压得到普遍使用。由于整流器件工作时,导通角小于180度,因此引起输入电流波形严重畸变、含有大量谐波,使输入电路的功率因素不到0.7,对电网和其它用电设备危害很大。为了减少这种危害,在整流滤波电路中增加功率因素校正电路已被普遍采用。从功率因素(PF)、功率因素(PF)与总电流谐波畸变(THD:Total Harmonic Distortion)的关系出发,提出提高功率因数和效率的方法:
一是就***大限度地抑制输入电流的波形畸变,使THD 值达到***小;
二是尽可能地使电流基波与电压基波之间的相位差趋于零,使余弦值 等于1,从而实现功率因素校正利用功率因素校正技术,可以使输入电流波形完全跟踪输入电压波形的变化,使输入电流呈纯正正弦波,并且和输入电压同相位。
Boost拓扑结构的PFC电路工作原理:

输出电压与参考电压比较后经电压环控制器得到输出值,并与输入整流后的电压值相乘,得到电流基准信号。输入电流与基准信号比较后经电流环控制器,其输出信号再通过PWM发生器产生控制信号来控制开关管的通断。因为控制信号是占空比周期性变化的信号,所以得到的输入电流波形跟随输入电压整流后的波形,当开关频率比输入电压频率高得多时,输入电流具有与输入电压相同的电压波形。

一、单级功率校正——峰值电流控制
通过分析升压式有源功率校正APFC电路的基本原理,用UC3854搭建了APFC电路,在APFC控制过程中,基于UC3854的固定频率平均电流型控制APFC电路能有效地抑制输入电流波形畸变,使输入电流完全跟踪输入电压的变化,并且输出电压稳定,因此在实用中得到了广泛应用。

二、两级功率校正
由于单级DC-DC校正电路虽容易实现,但是它有控制复杂等不可克服的缺点,故提出了两级功率校正。利用TOPswitch很容易实现两级结构的有源功率因数校正。电路http://suqian.tjsdtl.com/由TOPswitch构成的PFC电路和自激式半桥逆变电路组成。通过对其工作原理进行详细分析,给出了电路参数和设计方法。该有源功率因数校正无需额外的控制电路和辅助大同油浸式变压器。因此具有结构简单、成本低、性能好等特点。传统电感式功率因数校正具有效率低、重量大、闪烁严重、噪音大、功率因数低等缺点,使其不能满足人们对供电质量的要求。由于单级PFC功率因数校正器使用的器件少、成本低,因此已成为目前的研究热点。但是,单级结构中,因PFC整流部分和逆变部分通常共用一个开关,使得两者之间有一定的耦合关系,给一些参数计算带来不便,并且在这种结构下,母线电压随着电网电压的波动而波动,这会造成负载工作点的变化.严重时可能使负载无法正常工作。在单级自激式功率因数校正器中,电压的变化会引起工作频率的变化,使升压电感值的确定较为困难。因此,单级结构的有源功率因数校正通常采用它激式,以保证工作频率的固定,这样会使控制电路复杂、成本增加。而两级自激式功率因数校正器,无需额外的控制集成电路和控制大同油浸式变压器,所以具有结构简单、器件少、成本低、功率因数高等优点,并且电压稳定,不受电网电压波动的影响,容易设计谐振参数,以保证负载工作在稳定工作点,具有很大的应用价值。

三、两级功率校正优化——直接功率转换
由于受各种器件的限制,现在又提出了直接功率转换(DPT)技术的单级PFC,AC—DC 变换器,并进行了深入的分析和综合.应用DPT技术不仅可以有效地降低单级PFC AC—DC变换器的母线电压.也较大地提高了效率.使其在小功率的应用中具有更大的前景。
应用功率因数校正(PFC)技术可以降低AC-DC变换器中的电流谐波含量,提高其功率因数,减少对电网的谐波污染。比较成熟且广泛应用的是两级方案:PFC级后接DC-DC级。尽管两级方案具有高功率因数、输出电压的快速调节和适合于各种功率应用等良好性能,但对小功率应用来说,它却存在着电路复杂、体积大、成本高等缺点。近年来把PFC级和DC-DC级集成在一起的单级PFC AC—DC变换器得到了很快的发展,其目的是要简化AC-DC变换器复杂的电路来降低成本。单级PFC AC-DC变换器使PFC级和DC-DC级共用一个功率开关管,一套控制电路控制其输出电压,在PFC级和DC-DC级之间用一个储能电容来存储输入和输出瞬时功率不平衡的能量,使其不仅能够整形输入电流,使电流谐波含量满足IEC1000-3-2的国际标准,同时还能对输出电压进行快速调节。由于单级PFC AC-DC 变换器本身结构和其工作的特点,它还存在着以下的问题:
(1)母线电压过高;
(2)转换效率不高;
应用直接功率转换(DFF)技术使此类变换器部分输入功率直接(一次)传递到输出端,而剩余的存储在PFC级电感中的输入功率才被传递到储能电容中,或使储能电容电压被箝位,这样不仅被重复传递的输入功率减少了,变换器的效率提高了,而且降低了储能电容的电压和开关器件的电压应力,即有效解决了单级PFC AC—DC变换器存在的上述问题。对直接功率转换(DFF)技术提出的下列几种拓扑。

四、单周控制(OCC)法
近来,不使用桥式电路的功率因数校正(PFC)电路成为人们注意的焦点。设计人员去掉了转换器输入端的常规桥式整流电路,可以减少开关损耗,进一步提高效率。在这样的电路中,不存在由于导通损耗而降低效率的问题,且设计比较简单,需要的元件数量较少。因此现在提出了不使用桥式整流电路的PFC设计——用MOSFET代替二极管,减少了导通的功率管的数目,同时提出了单周控制(OCC)方法。由于去掉了输入整流器的导通损耗以及简化电路的设计,造成的代价是:输入电压和输入电流的感测较为复杂,而且,输出浮动会导致电磁干扰增大。将无桥式整流的电路与OCC控制方法结合起来,就可以用无桥式整流的方法提高效率、简化设计,并且不需要使用复杂的电流和电压感测电路。同时电磁干扰问题也可以用一种改进版本的电路来克服。

五、现代APFC的小信号分析法及PFC器件
为解决电磁干扰及兼容问题,进行小信号分析,提出了基于Boost变换器拓扑PFC电路的建模,这是以Boost变换器为主拓扑结构,平均电流控制模式进行PFC校正,并在准静态分析法的基础上,建立系统的简化小信号模型。在此基础上,以闭环系统的带宽和相位裕量为设计指标,给出了实用的闭环反馈控制器的设计方法。
在PFC电路中,电压、电流等变量在两种不同频率上变化:一方面按开关频率高速切换;另一方面又按输入电压频率(工频)缓慢变化。从系统的角度来看这是一个复杂的时变系统,采用准静态分析法来对系统的模型进行分析和设计。提出了电流环功率级简化模型。控制器的实现是按照电压环和电流环分别设计。根据有源功率因数校正的基本特性。对系统进行了建模,同时对数学模型进行分析和计算。现在提出的嵌入式模块技术,是将来模块超小型化不可缺少的技术。今后,在嵌入式模块等各自的技术特点不断发展的同时,应将其复合化,进一步确立基片和贴装平台技术。另外,今后还应考虑强化无源元件的开发技术,开发由此派生的三维贴装模块技术,进一步推进实用化。另一方面,今后应将通用无源元件应用于嵌入式模块的开发当中。例如,薄形产品(例如:1005尺寸和0603尺寸,厚度为0.1mm等的元件)应实现标准化。另外,为了扩大适用范围,还应开发膜片式电感器和膜片式电容器等。
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