开关电源功率因素校正(PFC)及其工作原理
4 功率因数校正技术的分类
目前市场上使用较多的是单相高频开关电源,针对这种情况,我们对单相有源功率因数校正(APFC)作一简单分类。
一般主要有两种基本的APFC:一种是变换器工作在不连续导电模式的“电压跟随器&rdq差模电感uo;型;另一种是变换器工作在连续导电模式的“乘法器”型。另外,还有三电平PFC技术、单周期控制的PFC技术和不连续电容电压模式PFC技术等。还可以从采用的软开关技术的角度进一步对上述两种模式的APFC加以分类。
从软开关特性来划分,APFC电路可分为两类,一类是零电流开关(ZCS)PFC技术,另一类是零电压开关(ZVS)PFC技术。按软开关的具体实现方法还可进一步划分为:并联谐振型、串联谐振型、串并联谐振型以及准谐振型等软开关谐振APFC技术[5]。
从控制方法来分,APFC电路可以采用脉宽调制(PWM)、频率调制(FM)、数字控制、单环电压反馈控制、双环电流模式控制等多种控制方法。
单相有源功率因数校正按拓扑结构可分为两级模式和单级模式。
4.1两级有源功率因数校正
目前研究的两级PFC电路是由两级转换器组成:第一级是PFC转换器,目的在于提高输入的功率因数并抑制输入电流的高次谐波;第二级为DC/DC转换器,目的在于调节输出以便与负载匹配。具体实现方式很多,在通信用大功率开关整流器中,主要采用的方法是在主电路输入整流和功率转换电路之间串入一个校正的环节(Boost PFC电路)。典型的两级转换器的结构如图2所示。
由于两级分别有自己的控制环节,所以电路有良好的性能。它具有功率因数高、输入电流谐波含量低,以及可对DC/DC转换器进行优化设计等优点。但两级PFC电路也有两个主要缺点:一是由于有两套装置,增加了器件的数目和成本;二是能量经两次转换,电源的效率也会有所降低。因此,两级PFC电路一般应用于功率较大的电路中。对于小功率的场合,由于成本及体积的限制,一般采用单级功率因数校正电路。
4.2单级有源功率因数校正
单级PFC技术的基本思想,是将有源PFC转换器和DC/DC转换器合二为一。两个转换器共用一套开关管和控制电路(电路如图3所示),因此单级PF共模电感C技术降低了成本,提高了效率,减小了电路的重量和体积。
单级PFC电路具有许多优点:PFC级和DC/DC级共用1个开关管,共用1套控制电路,这就使得电感封装电路设计大为简捷,降低了硬件成本;变换中能提供任何选定的电压和电流比;由于功率实现的是一次性变换,所以能获得较高的效率和可靠性。单级PFC电路正因为具有这些优良的性能而越来越得到广泛的研究和应用。
但是,与传统的两级式DC/DC转换器相比,单级PFC转换器要承受更高的电压应力,有更多的功率损耗。这个问题在开关频率较高时显得尤为突出。而且,由于开关工作频率不断提高所带来的电磁干扰问题也日益严重,显著影响了转换器工作的可靠性和频率的提高。单级方案中还存在储能电容电压过高的情况,而且储能电容电压随着输入电压及负载的变化而升高,这将会导致电路的稳态特性受到一定的影响,同时某些元器件的体积成本会有所提高,这都是期待解决的问题。通过比较可知,在输出功率相同的情况下,单级功率因数校正电路在功率因数校贴片电感器正能力和电源的转换效率等方面,相对于两级功率因数校正电路而言,相对要差一些。近些年,专家学者先后提出了许多零电压及零电流软开关技术,特别是将软开关技术与单级隔离型PFC技术结合在一起的方法,另外,怎样降低储能电容上的电压也是现在单级功率因数校正研究的热点。
5 有源功率因数校正的控制方式
根据电感电流是否连续,APFC有下面几种工作模式:不连续导通模式DCM(Discontinuous Conduction Mode)和连续导通模式CCM(Continuous Conduction Mode)。一般认为,采用电流连续导通方式,可利于实现输入EMI滤波电路小型化,并可使电流应力减小,实一体电感器现高效率[6]- [7]。
DCM控制又称电压跟踪方法(Voltage Follower),它是PFC中简单而实用的一种控制方式。这类转换器工作在不连续导电模式,开关管由输出电压误差信号控制,开关周期为常数。由于峰值电感电流基本上正比于输入电压,因此,输入电流波形跟随输入电压波形塑封电感变化。平面变压器厂家 | 平面电感厂家
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本帖最后由 sszx2007 于 2017-8-25 13:28 编辑
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