PFC原理与种类特点课件VIP

1、P F C,Power Factor Correction 功率因素校正,PFC原理与种类特点,PFC的來源與種類特點,PF(Power Factor)的定義 電工原理中線性電路的功率因數習慣用Cos表示, 為正弦電壓與正弦電流間的相位差.由於整流電路中二極管的非線性,盡管輸入電壓為正弦,電流卻為嚴重非正弦,因此線性電路的功率因數(PF)計算不再適用於AC-DC變流電路. 定義： PF=有功功率/伏安=P/Vi*I. 非正弦波電流有效值: 假設基波電流I1落後Vi相位差為 ,如圖1. 則有用功的功率因數可表示為：P=Vi*I1Cos PF = Vi*I1Cos /Vi*I = I1Cos /I

2、 基波電流相對值(畸變因數)： Cos 稱為位移因數,所以功率因數為畸變因數與 位移因數的乘積.在線性電源中因電流為標准的正 弦波,所以 I1 = I, 也就得到線性電源中位移因數 圖1. Vi與I1波形 Cos 正好等於其功率因數Cos,同理當 = 0 時, PF = I1/I (畸變因數,PFC原理与种类特点,輸入功率因數與諧波的關系,THD(Total Harmonic Distortion)總諧波失真 定義: Ih為所有諧波電流分量的總有效值. 由此可得: 畸變因數 當 = 0 時 計算值與實測值的對比(假設= 0) 由測試數據可知, 當THD 5%時, PF值可控制在0.99左右,P

3、FC原理与种类特点,諧波的產生,傳統的開關電源,其輸入電路普遍采用全橋二極管整流,輸出端直接接到大電容 (如圖2).此方法雖然不可控整流器電路簡單可靠,但它們會從電網中吸取高峰值電流,使輸入端交流電流波形發生畸變. (如圖3) 圖2. 圖3. 由於電網輸入整流濾波電路直接接到大電容,使得只有在電網輸入的交流電壓幅值高於大電容上的充電電壓時,整流二極管才會導通, 而在大部分時間裡整流器都處於截止狀態,這使電流波形變成了非正弦的窄脈沖,產生大量諧波干擾分量,PFC原理与种类特点,諧波的危害與抑制方法,諧波的危害 一. 產生“二次效應”,即諧波電流流過線路造成諧波電壓降,反過來會使電網電壓(原來是正

4、弦波)也會產生畸變. 二. 干擾竄入電網,對鄰近儀器的工作工作產生嚴重的電磁干擾. 三. 造成輸入端功率因數降低. 諧波的抑制方法 一. 無源濾波器(被動式PFC),此方案是在電路的整流器和電容之間串一個濾波電感,或在交流側接入諧振濾波器. 主要優點: 簡單,成本低,可靠性高,EMI小. 主要缺點: 尺寸,重量大,難以得到高功率因數(一般可提高到0.8左右) 工作性能與頻率,負載變化及輸入電壓變化有關,電感和電容間有大的充放電電流等. 二. 有源濾波器(主動式PFC),在整流器和大電容之間接入一個 Boost 電壓變換線路,應用電流反饋的PWM技術,使輸入端電流 I1 波形跟隨交流輸入正弦電壓

5、波形,可以使I1接近正弦,從而使輸入端THD小於5%,即功率因數可提高到0.99或更高. 主要優點: 可得到較高的功率因數,如0.950.99,THD小,可在較寬的輸入電壓范圍(如90264Vac)和寬頻率下工作,體積小,重量輕,輸出電壓可保持恆定. 主要缺點: 電路複雜, MTBF下降,成本高,EMI高,PFC原理与种类特点,Passive PFC(被動式功率因數校正,被動式PFC具體電路如圖4, 圖5為被動式PFC常用電感圖形. 圖4. 圖5. 被動式PFC 電感芯心材質一般為硅鋼片-具有大的Bs, 低磁導率 ,大的可變磁感應強度B,不易飽和等特點,且硅含量越高,电阻率越大,则损耗越小。

6、通過增加電感,使得在導通期間,電感L與大電容可產生LC諧振,增加整流二極管的導通角(亦即加大周期內的導通時間),使得峰值電流的寬度增大,輻值減小,達到了降代諧波分量,提高功率因數的效果,PFC原理与种类特点,Active PFC(主動式功率因數校正,主動式 PFC常有電流峰值控制,電流滯環控制,平均電流控制三種控制方法: 圖6主動式PFC的電流峰控制電路圖, 圖7為控制時電感電流的波形圖 . 圖6.電流峰控制線路圖 圖7.電感電流的波形圖 圖中開關管Tr的電流Is被檢測,所得信號IsRi送入比較器.電流基准值由乘法器輸出Z供給,Z=XY.乘法器有兩個輸入,一個輸入X是輸出電壓Vo/H與基准電壓

7、Vref之間的誤差放大信號,另一個輸入Y為電壓Vdc檢測值Vdc/K,Vdc為輸入正弦電壓Vi的全波整流值.因此電流基准為又半波正弦電壓,令電感(輸入)電流的峰值包絡線跟蹤輸入電壓Vdc的波形,使輸入電流與輸入電壓同相位,並接近正弦.閉環系統中的電壓環由分壓器1/H,電壓誤放大(補償)器VA,通過乘法器,電流比較器CA及驅動器等組成.因此,在保持輸入端功率因數接近1的同時,也能保持輸出電壓為穩定值,PFC原理与种类特点,主動式功率因數校正電感磁芯,如圖8為主動式PFC常用磁芯圖面,圖9為電感成品圖片. 圖8. 圖9. 主動式PFC的磁芯一般選用Sendust.Core(鐵銈鋁合金)鐵鎳軟磁合金

8、,也稱為皮莫合金,具有极高的磁导率、极低的矫顽磁力和磁化曲线高矩形比的软磁材料. 虽然坡莫合金具有优良的磁特性，但是由于其电阻率比较低，而磁导率又特别高，很难在很高频率场合应用。同时价格比较昂贵，一般机械应力对磁性能影响显著，通常卷绕成环状，并装在非磁的保护壳内,PFC原理与种类特点,電源應用PFC情況,帶有115Vac/230Vac切換的電源 在230Vac時有被動式PFC,在115Vac時無-原因,115Vac輸入時,電路有倍壓功能,AC輸入部分將因倍壓路線而引起不再經過濾波電感,且濾波電感的設計在115Vac與230Vac應用時是不一樣的,所以一個電感只可用於一種輸入條件下,但現在也有三端被動式PFC電感可同時用115Vac/230Vac兩種輸入,只是不同輸入電流時所經過的線路是不一樣(三端PFC電感相當於當兩個電感應用). 180Vac-264Vac主動式PFC 此PFC電感只在高壓下工作,所以對其要求不會太高,且高