有源功率因数校正技术在高频开关电源中的应用研究

1、机电工程技术2010年第39卷第02期 收稿日期：20090929，总谐波畸变THD 过大，会对母线电网造成了严重的不利影响。，；总谐波畸变文献标识码：A文章编号：10099492(201002008803有源功率因数校正技术在高频开关电源中的应用研究向琼（广东电网公司佛山供电局，广东佛山528000）1引言开关稳压式电源的效率可以高达70以上，所以它取代了上一代晶体管线性稳压电源成为当今最为广泛使用的电源。在开关电源中，电网的交流电经过初次晶体管电路整流后，接着并联一个较大的电容（如图1所示），从而得到波形较为平整的直流电压，再进行下一步的输出处理，得到用户满意的电压。然而这样大量使用储能元

2、件和非线性元件的恶果就是使得电网输入的交流电流产生严重畸变，从而带给电网大量的谐波电流，使输入功率因数降低。大量的电流谐波分量流入电网后将在电网内形成谐波“污染”。一方面产生“二次效应”（即电流流过线路阻抗造成谐波电流电压降，反过来使得原本正弦波的输入电压也发生畸变；另一方面，会造成电路故障，引起变电设备的损坏。另外，由于谐波电流的存在，使ACDC电路的输入功率因数降低，电网的输入伏安数大，而负载上得到的有效功率却小。随着开关电源设备的广泛使用，为了保证电网的供电质量，为了提高功率因数及节能，制定了一系列的国际标准（如IEC5552和EN605552等）1，限制各次谐波不得大于某个极限值。2提

3、高功率因数的方法21无源滤波器这种方法是在图1所示电路的整流电路和大电容之间串联一个滤波电感，或者在交流侧接入谐振滤波器。其优点是简单，低成本，EMI 小，易于实现；缺点是体积重量大，得不到高功率因数（只能达到90左右），工作性能与频率、负载及输入电压有关，电感与电容将形成大的充放电电流等。22有源功率因数校正器（有源滤波器）在整流与负载之间接入DCDC开关变换器，应用电流反馈，使得输入电流跟随正弦输入电压波形，达到正弦化的效果，从而使输入的总谐波电流分量（Total HamonicDistortion ，用THD 表示）限制在5以内，功率因数可达99以上。因为在这种方案里面使用了有源元件，所

4、以称为有源功率因数校正（Active Power Faction Correction ，简称APFC ）2。它的优点是：较高的功率因数（9799），THD 小，输入电压范围大（90270VAC ），工作的开关频带宽，体积小，重量轻，恒定的输出电压；缺点是：电路复杂，成本高，EMI 高。如今，APFC技术在开关电源中得到了广泛的使用。3功率因数和总谐波畸变（THD ）因为开关电源的输入电流为严重的非正弦，所以在开关电源中功率因数的定义和计算与电工原理里面线性电路的功率因数计算有很大的差异。当输入电压V i （有效值V ）是正弦，输入电流为非正弦时，输入电流的有效值为：图1AC DC 整流电路应

5、机电工程技术2010年第39卷第02期I 12n 姨（1）上式中：I i （i 1，2，3n ）为输入电流各次谐波的有效值。假设基波电流I 1落后于输入电压V i 的相位差为，则此时的有功功率为P VI 1cos ，功率因数就可以写为：PF VI 1cos VI I 1cos I（2）cos 称为位移因数，定义总谐波畸变（THD ）为：THD 23n 1姨（3）由此可得：PF I 1cos I 1姨cos （4）PF 与THD 的计算结果如表1所示。由表1可见，当THD 5时，PF 值可控制在0999以上。4有源功率因数校正电路结构APFC 从电路拓扑结构上来说可以分为单级式和两级式（如图2所

6、示）3。两级式电路由前级PFC 电路（一般是Boost 升压型）和DC DC 变换器构成，前级实现功率因数校正，后级实现输出电压调节和隔离，其优点是两级电路可以单独分析、设计和控制，也是至今在较大功率场合使用的最多的APFC 电路模式；而单级式APFC 电路集功率因数校正、输出电压隔离和稳压于一体，结构简单，效率高，但是控制相对复杂，适用于功率小（一般不超过200W ）的场合。5APFC 的控制策略根据电感电流是否连续，PFC 分为不连续导通模式（DCM ）和连续导通模式（CCM ）。DCM 的控制可以采用恒频、变频、等面积等多种方式。CCM 模式根据是否直接选取瞬态电感电流作为反馈和被控制量

7、，分为直接电流控制和间接电流控制。DCM 控制又称电压跟踪方法，它是PFC 中简单而实用的一种控制方式，应用较为广泛。DCM 控制模式的特点如下：（1）输入电流自动跟踪电压且保持较小的电流畸变率；（2）功率管实现零电流开通（ZCS ）且不承受二极管的反向恢复电流；（3）输入输出电流纹波较大，对滤波电路要求高；（4）峰值电流远高于平均电流，器件承受较大的应力；（5）单相PFC 功率一般小于200W ，三相PFC 功率一般小于10kW 。CCM 相对于DCM 的优点为：（1）输入和输出电流纹波小、THD 和EMI 小、滤波容易；（2）RMS 电流小、器件导通损耗小；（3）适用于大功率应用场合。CC

8、M 模式下有直接电流控制与间接电流控制两种方式。直接电流控制的优点是电流瞬态特性好，自身具有过流保护能力，但需要检测瞬态电流，控制电路复杂；间接电流控制的优点是结构简单、开关机理清晰。DCM 控制尽管简单，但由于器件承受较大的开关应力。限制了其功率应用范围。CCM 控制中，直接电流控制应是发展的主流，它适用于对系统性能指标和快速性要求较高的大功率场合。6一种单级单相PFC 电路研究在此要进行分析研究的是单相并联功率因数校正电路（PPFC ）中的一种。其电路的主电路如图3所示。PPFC 一般归类于单级功率因数校正中，它是界于两级和单级之间的一种APFC 技术。此处分析的这种PPFC 电路使用了两

9、个反激式变换器，变换器I 主要任务是通过快速的动态响应来调节输出电压；变换器II 则进行输入电流斩波及功率因数校正。两个变换器共同来传递电网功率。这个电路的优点在于：（1）提供良好的功率因数和输出电压调节； （2）输入电感和直流线电容的体积可以取更小体积的型号；（3）二极管反向恢复损耗更小；（4）直流线电压和电流得到了降低，使得开关等器件的压力减小。61电路工作原理t 0t 1：电流不会同时流入两个绕组之中。当开关管Q h开通，二极管D h 因为电压反偏而关断，其上电压V D 等于 V O V hi n 。05L mh I 2的电能转换为磁能，原边电流i h 从剩磁电流开始按固定的斜率（V h

10、i L mh ）增加到i dr ，而另一个变换器的电流i p 则不断减小，i dr 也不断减小直到i p 为0时止。t 1t 2：原边电流继续增加，此时斜率为V dr （L mh L dr ）。t 2t 3：当开关管Q h 的关断时刻来临，二极管D h 因为（b ）单级型图2APFC 电路基本拓扑（a ）两级型PF THD 058114009901409951009985表1PF 与THD 的计算结果应用技机电工程技术2010年第39卷第02期 拆下调节设备底座与产品底座的连接。图1中的传动系统流入下道工序继续装配其它部件。5结束语此皮带调节设备设计的主要思路是将中心距的距离调节通过传感器转化

11、为对皮带张力的调节，降低了各个零件的加工精度，降低产品总体成本；主要优点是调节完成的每台设备的皮带松紧度基本是一致的，不会因为外界条件的变化使皮带的松紧度产生不同。此设备已经大量使用在生产中，对工人的要求降低了，对产品底座上固定轴孔的中心距加工要求降低了，同时也对皮带长度公差降低了要求，而且极大的提高了生产效率，提高了产品的直通率；此设计方案可以应用在有皮带传动的机构上来调节皮带的松紧度，也可以作为一种设计方法供广大工程设计人员来参考应用。参考文献：1成大先机械设计手册第3卷（第四版）M 北京：北京化工出版社，2002作者简介：赵小平，男，1973年生，陕西人，大学本科，工程师。研究领域：通讯

12、设备的结构设计与开发。(编辑：向飞（b ）II 变换器的输出电压控制及输入电流斩波图4控制方框图（a ）I 变换器的输出电压控制正偏导通，原边电流停止流动，存储在线圈绕组中的磁能开始释放到副边。这时，开关管Q h 上的电压V Qh 为V hi nV o ，i p 等于i dr ，并开始随着输入电压减小而减小，同时副边电流i oh 以n 2V o L mh 为斜率减小。62占空比的计算占空比与V o 、V dr 的关系如下式：V o drD（5）其中：D 是开关的占空比；n 为变压器原副边匝数比。从式（5）得到变换器II 的开环占空比为：D open,h nV o dr o （6）变换器I 的开

13、环占空比为：D open,p nV o P p,pu dc o p,pu（7）63控制的实现方式在这个电路里需要实现的有两个控制环：一个是直流电压输出环；另一个是交流电流输入环。具体是通过占空比的调节实现的，图4是此电路的控制框图。这两个控制流程用德州仪器公司的DSP TM320LF2407得到实现。系统工作时THD 5，效率为86（当输入电压为120V ，输出电压为48V ，输出功率为200W 时），结果令人满意。变换器I 工作于DCM 状态，变换器II 工作于CCM 状态。7总结如今用电设备的功率因数问题日益受到重视。有源功率因数校正技术APFC 能显著提高用电设备的功率因数，大大提高用电

14、效率，降低总谐波畸变率，在保护电网稳定高效运行中发挥着重要作用。参考文献：1史立生，尹成群开关电源功率因数校正分析J 华北电力学院学报，1995，22（3）：18232毛鸿，吴兆麟有源功率因数校正器的控制策略综述J 电力电子技术，2000（1）：58613陈道炼，严仰光有源功率因数校正技术及其应用J 电工技术杂志，1997（1）：46作者简介：向琼，女，1974年生，湖南人，硕士，工程师。研究领域：电力系统及其自动化。已发表论文5篇。(编辑：王智圣图3带有两个反激变换器的并联单级功率因数校正电路图! （上接第56页）应Abstractsresults drives three-dimensio

15、nal model of automatic updates, optimal design of mechanical parts is achieved. It has a good practical value in engineering practice that integrates Pro/E and YU Feng-ling, ZHAN TongMathCAD to complete the optimal design of mechanical parts.Key words: Pro/E; MathCAD; optimal designAbstract:CCD imag

16、e sensor is an integrated photoelectric device developed in recent years. With the function to produce, store and transfer photoelectric signal, CCD image sensor is now widely used in the fields of office manuscripts scanning, 12 automatic detection, position location, optical character ZENG Wen-jia

17、n , NING Zhao-yang recognizing, medical image and so on. This paper explains the general principles of the CCD image sensor and demonstrates its Abstract:The container cranes in port have been studied, it is application in digital duplicator and gives a prospect of its future found that there are so

18、me problems in its structure design and application trend.manufacture. It not only leads to material wasting, but also Key words: CCD; feature; application; digital duplicatorincreases manufacturing costs. The article takes the 125/35t load and unload container as an example, carries on the finite e

19、lement analysis by ANSYS software and the optimization design. The result shows good economic efficiency.CHEN Jian-huanKey words: load and unload bridge; box girder; optimization design; finite element analysisAbstract: Screw thread processing is an important function of lathe CNC system. G32, G33,

20、G34, G92 and G76 are screw thread processing instruction of GSk980TD system. This paper compares the difference between them and indicates the application situation of them.Key words: screw thread processing; programmed efficiency; CHEN Jie, TANG Hai-yuan, ZHOU Jieprecision control; technical traits

21、Abstract: Based on the present status of domestic watch manufacturing industry, this paper investigated the effect of digital design and manufacturing (DDM technology on the automation & precision process of watch manufacturing industry. FANG You-cun With the reference to actual cases of FIYTA,

22、we employed the DDM technology including block-based design, resource Abstract: A student majored in electricity must master the skills database design and flexible manufacturing etc. This preliminary that checking electrical control circuit, finding fault points and established DDM system met the c

23、urrent watch market demand troubleshooting as soon as possible. With the electrician training for small quantity, multiple kinds and high efficiency, which experience, the author summarizes the electrical control circuit verified the pushing effect of DDM in watch manufacturing inspection methods, p

24、rinciples and techniques using resistance industry.measurements.Key words: digital design and manufacturing; watch Key words: control circuit; resistance measurement; circuit manufacturing industry; block-based design; flexible analysis trouble-shootingmanufacturingWANG Jian-ming Abstract: Based on

25、analyzing the origin of automobile noise and the general methods of noise control, methods and measures for XIANG Qiong noise reduction of the automobile engines have been put forward in this paper. At the same time, the active method and passive Abstract: The lower power factor of electric devices

26、and high method of noise reduction are briefly stated.total harmonics distortion (THD should make harm to power Key words: automobile; engines; noise controlgrids. In this paper, we make an analysis of active power factor correction, which is always used in the harmonics elimination.Key words: power

27、 factor; switch-model power supply; total harmonic distortionWANG Jun Abstract:Mechanical product in use often has quality problem, which even causes serious accident. When the product is WU Xiang-di expensive or causing casualty, it often resorts to the law. In this paper, the common accident and i

28、ts reason of used lifting Abstract: Honeywell HC900 hybrid controller is a new control appliance will be analyzed. Meantime, combined with the work system suitable for loop control, logic control and data experience, the security management methods of crane will be acquisition application. A system

29、based on HC900 controller for explored.chlorite production process control is designed in this paper.Key words: lifting appliances; accident; safe managementKey words: DCS; process control; HC900 controller; chlorate production process10-02-94 CCD Image Sensor Application in Digital Duplicator10-02-

30、81 Optimization Design Based ANSYS on the Bridge of Load and Unload Container10-02-97 Analysis and Application of Screw Thread Processing Instruction of Lathe CNC10-02-85 The Application of Digital Design and Manufacturing Technology in Watch Manufacturing Industry10-02-101 Inspection Repair Method of Motor Control Circuit10-02-103 No