PWM整流和有源功率因数校正

1、复习：计算法产生复习：计算法产生SPWMSPWM控制信号控制信号 n根据正弦调制波频率根据正弦调制波频率frfr（周期（周期TrTr）、载波频率）、载波频率fcfc （周期（周期TcTc），），计算出计算出SPWMSPWM波各波各脉冲周期脉冲周期和和占空比占空比， 通过控制逆变电路开关器件的通断，得到所需所通过控制逆变电路开关器件的通断，得到所需所 需需正弦波波形正弦波波形。 计算法（计算法（1）-规则采样法规则采样法 n面积等效原理面积等效原理(m=1)： nSPWMSPWM信号占空比：信号占空比： 2 sin1 i c i i T d 2)sin1 ( ii Tc 计算法（计算法（1）-规

2、则采用法规则采用法 nTcTc的计算：的计算： n载波比：载波比： nfrfr基波频率，基波频率，fcfc载波频率，载波频率，K K为整数为整数( (同步调制同步调制) )。 n若选若选K=36K=36，frfr=50Hz=50Hz： n则则fc= Kfc= K* *frfr = 36 = 36* *50Hz50Hz， nTcTc= 1/Kfr = 20ms/36= 1/Kfr = 20ms/36 Tc Tr fr fc K 双极性双极性SPWMSPWM驱动电路和驱动电路和H H桥主电路桥主电路 双极性双极性SPWMHSPWMH桥主电路桥主电路 nPWMPWM整流电路及其控制方法整流电路及其控

3、制方法 n 有源功率因数校正有源功率因数校正（Active Power Factor Correction ） AC-DC AC-DC 电路中使用的桥式全波整流电路中使用的桥式全波整流 电路及波形图电路及波形图 n输入电压为正弦波。输入电压为正弦波。 n只有当输入电压大于只有当输入电压大于 电容的电压时电容的电压时, , 才有才有 电流给电容充电，电流给电容充电，电电 流为周期性的流为周期性的非正弦非正弦 波波。 nP.F.=CosP.F.=Cos无效无效 一、功率因数校正的意义一、功率因数校正的意义 n理论上，输入电压和电理论上，输入电压和电 流都是理想的正弦波的流都是理想的正弦波的 情况下

4、：情况下： nP.F.= P/S=Watts/V.A.P.F.= P/S=Watts/V.A. n = =有功功率有功功率/ /视在功率视在功率 n =Cos=Cos n：输入电压和输入电：输入电压和输入电 流的相位差。流的相位差。 电流电流为周期性的非正弦波为周期性的非正弦波（电压理想正弦波）（电压理想正弦波）功率功率 因数计算方法因数计算方法 n周期性的非正弦波电流经过傅里叶变换为周期性的非正弦波电流经过傅里叶变换为: : n有功功率有功功率P=VP=VRMS RMS* *I I1RMSP1RMSP=V =VRMS RMS* *I I1RMS1RMS* *Cos1 Cos1 n(1-(1-

5、输入电压和输入电流基波分量输入电压和输入电流基波分量I I1RMS 1RMS 的相位差 的相位差) )。 nS=VS=VRMS RMS* *I IRMS totalRMS total n于是使功率因数于是使功率因数Power Factor Power Factor 可以表达为：可以表达为： nP.F.=P/S= (IP.F.=P/S= (I1RMS 1RMS/I /I RMS total RMS total) )* * Cos 1 Cos 1 电流失真系数电流失真系数K K对功率因数的影响对功率因数的影响 n电流失真系数电流失真系数K:K: nK= IK= I1RMS 1RMS/I /I RM

6、S total RMS total n = Cos = Cos n为失真角；为失真角；K K 为与电流为与电流 谐波分量有关的系数。谐波分量有关的系数。 n最后最后, , 可以表达为可以表达为: : nP.F.=Cos 1P.F.=Cos 1* *Cos Cos n如果总的谐波分量为零如果总的谐波分量为零, , K K 就为就为1 1。 功率因数功率因数 (PF) (PF) 由电流失真系数由电流失真系数 ( K ( K = Cos= Cos ) ) 和基波电压、基波电流相移因数和基波电压、基波电流相移因数( Cos 1) ( Cos 1) 决定。决定。 nCos 1 Cos 1 小，则表示用小

7、，则表示用 电电器设备的无功功率电电器设备的无功功率 大，设备利用率低，导大，设备利用率低，导 线、变压器绕组损耗大。线、变压器绕组损耗大。 nK K 值小，则表示输入电值小，则表示输入电 流谐波分量大，将造成流谐波分量大，将造成 输入电流波形畸变，对输入电流波形畸变，对 电网造成污染。电网造成污染。 n常规整流装置使用非线性器件常规整流装置使用非线性器件 （如可控硅、二极管），整流器（如可控硅、二极管），整流器 件的导通角小于件的导通角小于180180o o，从而产生，从而产生 大量谐波电流成份，而大量谐波电流成份，而谐波电流谐波电流 成份不做功成份不做功，只有，只有基波电流成份基波电流成份

8、 做功做功。所以相移因数和电流失真。所以相移因数和电流失真 系数（系数（K K）相比，输入电流失真系）相比，输入电流失真系 数（数（K K）对供电线路功率因数）对供电线路功率因数 (PF) (PF) 的影响更大。的影响更大。 输入电流谐波分量大，将对输入电流谐波分量大，将对电网造成污染电网造成污染，严重时，严重时， 对三相四线制供电，还会造成中线电位偏移对三相四线制供电，还会造成中线电位偏移，致使用，致使用 电电器设备损坏。电电器设备损坏。 n为了提高供电线路功率因数，保护用电设备，为了提高供电线路功率因数，保护用电设备，世世 界上许多国家和相关国际组织界上许多国家和相关国际组织制定出相应的技

9、术制定出相应的技术 标准，以标准，以限制谐波电流含量限制谐波电流含量。如：。如：IEC555-2IEC555-2， IEC61000-3-2IEC61000-3-2，EN 60555-2 EN 60555-2 等标准，它们规定等标准，它们规定 了允许产生的最大谐波电流。了允许产生的最大谐波电流。我国于我国于1994 1994 年也颁年也颁 布了布了电能质量公用电网谐波电能质量公用电网谐波标准标准 （GB/T14549-93GB/T14549-93）。）。 二、二、PF PF 与总谐波失真系数（与总谐波失真系数（THDTHD）的关系）的关系 三三. .功率因数校正方法功率因数校正方法 n由功率因

10、数由功率因数 P.F.=Cos P.F.=Cos * *K = 1 K = 1 最佳可知，最佳可知，要提要提 高功率因数，有两个途径：高功率因数，有两个途径： n1. 1. 使输入电压、输入电流同相位。此时使输入电压、输入电流同相位。此时Cos Cos =1, =1, 所以所以PF=KPF=K。 n2. 2. 使输入电流正弦化。即使输入电流正弦化。即I IRMS RMS=I =I1RMS 1RMS（谐波为零）， （谐波为零）， 有有I I1RMS 1RMS/I /IRMS RMS=1 , =1 , 即：即：P.F.=Cos P.F.=Cos * *K = 1K = 1 使使P.F.= 1P.F

11、.= 1是电力电子技术研究方向之一是电力电子技术研究方向之一 n利用电力电子电路使利用电力电子电路使P.F.=Cos P.F.=Cos * *K = 1K = 1，从而实现功，从而实现功 率因数校正，率因数校正，称为称为APFCAPFC（有源功率因数校正）技术（有源功率因数校正）技术。 n利用有源功率因数校正技术可以使交流输入利用有源功率因数校正技术可以使交流输入电流电流波形完波形完 全跟踪交流输入全跟踪交流输入电压电压波形，使输入电流波形呈纯正弦波，波形，使输入电流波形呈纯正弦波， 并且和输入电压同相位，此时整流器的负载可等效为纯并且和输入电压同相位，此时整流器的负载可等效为纯 电阻，所以有

12、的地方又把有源功率因数校正电路叫做电阻，所以有的地方又把有源功率因数校正电路叫做电电 阻仿真器。阻仿真器。 四、四、 PWMPWM整流电路的工作原理整流电路的工作原理 n单相全桥电路单相全桥电路 PWMPWM整流电路的运行方式向量图整流电路的运行方式向量图 PWM PWM 整流器的控制系统结构框图整流器的控制系统结构框图 五、五、开关电源中开关电源中有源功率因数校正方法分类有源功率因数校正方法分类 n1 1、按有源功率因数校正电路结构分类、按有源功率因数校正电路结构分类 n（1 1）降压式：因噪声大，滤波困难，功率开关管上电压应力）降压式：因噪声大，滤波困难，功率开关管上电压应力 大，控制驱动

13、电平浮动，很少被采用。大，控制驱动电平浮动，很少被采用。 n（2 2）升）升/ /降压式：需用二个功率开关管，有一个功率开关管降压式：需用二个功率开关管，有一个功率开关管 的驱动控制信号浮动，电路复杂，较少采用。的驱动控制信号浮动，电路复杂，较少采用。 n（3 3）反激式：输出与输入隔离，输出电压可以任意选择，采）反激式：输出与输入隔离，输出电压可以任意选择，采 用简单电压型控制，适用于用简单电压型控制，适用于150W 150W 以下功率的应用场合。以下功率的应用场合。 n（4 4）升压式（）升压式（boostboost）：简单电流型控制，）：简单电流型控制，PF PF 值高，总谐波值高，总谐

14、波 失真（失真（THDTHD）小，效率高，但是输出电压高于输入电压。适用）小，效率高，但是输出电压高于输入电压。适用 于于75W2000W 75W2000W 功率范围的应用场合，应用最为广泛。功率范围的应用场合，应用最为广泛。 升压式和反激式主电路升压式和反激式主电路 升压式（升压式（boostboost）APFCAPFC电路优点：电路优点： n1 1）电路中的电感）电路中的电感L L 适用于电流型控制。适用于电流型控制。 n2 2）由于升压型）由于升压型APFC APFC 的预调整作用在输出电容器的预调整作用在输出电容器C C 上保持高电压，所以电容器上保持高电压，所以电容器C C 体积小、

15、储能大。体积小、储能大。 n3 3）在整个交流输入电压变化范围内能保持很高的）在整个交流输入电压变化范围内能保持很高的 功率因数。功率因数。 n4 4）输入电流连续，并且在）输入电流连续，并且在APFC APFC 开关瞬间输入电开关瞬间输入电 流小，易于流小，易于EMI EMI 滤波。滤波。 n5 5）升压电感）升压电感L L 能阻止快速的电压、电流瞬变，提能阻止快速的电压、电流瞬变，提 高了电路工作可靠性。高了电路工作可靠性。 六、有源功率因数校正方法分类六、有源功率因数校正方法分类 2 2、按输入电流的控制原理分类、按输入电流的控制原理分类 n（1 1）平均电流）平均电流 型。型。 n（2

16、 2）滞后电流）滞后电流 型。型。 n（3 3）峰值电流）峰值电流 型。型。 n（4 4）电压控制）电压控制 型。型。 七、七、APFCAPFC的工作原理的工作原理 n1 1、平均电流型、升压式、平均电流型、升压式APFCAPFC的工作原理：输入电压和校的工作原理：输入电压和校 正后电流为同相位单相脉动波。正后电流为同相位单相脉动波。 平均电流型、升压式平均电流型、升压式APFCAPFC的工作原理电路的工作原理电路 关键公式：关键公式： )/1/(TTVV onino PWMPWM和电流波形图和电流波形图 n2 2、平均电流型、升压式、平均电流型、升压式APFCAPFC的工作框图。的工作框图。

17、 n3 3、平均电流型、升压式、平均电流型、升压式APFCAPFC的电路原理图的电路原理图 n3 3、平均电流型、升压式、平均电流型、升压式APFCAPFC的电路工作示意图的电路工作示意图 4 4、控制模块内部功能框图说明、控制模块内部功能框图说明 n1 1电压调节器；电压调节器； n2 2乘法器；乘法器； n3 3电流调节器；电流调节器； n4 4载波发生器；载波发生器； n5 5SPWMSPWM信号比较器；信号比较器； n6 6驱动器；驱动器； n7 7输出电压快速调输出电压快速调 节器节器。 5 5、主电路波形图、主电路波形图 主电路波形图主电路波形图(1)(1) 主电路波形图主电路波形

18、图(2) 八、八、PFC PFC 的实际设计及应用的实际设计及应用 nUC3854UC3854是一种工作于平均电流的的升压型是一种工作于平均电流的的升压型APFC APFC 电电 路控制芯片，它的峰值开关电流近似等于输入电路控制芯片，它的峰值开关电流近似等于输入电 流，是目前使用最广泛的流，是目前使用最广泛的APFC APFC 电路控制芯片。电路控制芯片。 n 1 1、UC3854 UC3854 的特性的特性 n(1)(1)升压脉冲宽度调制升压脉冲宽度调制, ,功率因数可达功率因数可达0.990.99 n(2)(2)市电电流谐波可达市电电流谐波可达5%5% n(3) (3) 宽市电电压宽市电电压, , 不需选择开关不需选择开关 n(4)(4)前馈市电调节前馈市电调节 n(5)(5)平均电流控制平均电流控制 n(6)(6)低噪音敏