第8章有源功率因数校正技术

1、现代电力电子学第8章有源功率因数校正技术第8章有源功率因数校正技术8.1单相有源功率因数校正原理8.2CCM单相BOOST功率因数校正变换器8.3DCM单相BOOST功率因数校正变换器8.4其他单相功率因数校正变换技术8.5三相PFC原理8.6本章小结8.1单相有源功率因数校正原理8.1.1电阻负载模拟8.1.2功率变换器与有源功率因数校正8.1.1电阻负载模拟8.1.1电阻负载模拟可见输入电流也是正弦波，且与输入电压的相位相同，如图8-1b所示。电阻负载具有单位功率因数，即功率因数PF=1。由以上简单分析可知：如果某一端口网络具有纯电阻的特性，则该一端口网络的功率因数PF=1。8.1.1电阻

2、负载模拟图8-1单相市电给电阻供电a) 电路b)电压与输入电流8.1.1电阻负载模拟图8-2模拟纯电阻特性的一端口网络a) 二极管全桥整流器b) 改造后的一端口网络8.1.2功率变换器与有源功率因数校正1) 为实现功率因数校正，插入子电路的电压传输比满足式Tuu(t)=给出的Tuu(t)特性要求，插入子电路必须具有升压功能；2) 插入子电路的输入电流i1可控，并跟踪us(t)的波形变化；3) i1的幅值需要调节到适当的值，以满足输出负载功率的要求，使输出电压Uo稳定在所需电压。8.1.2功率变换器与有源功率因数校正图8-3具有功率因数校正功能的整流器8.1.2功率变换器与有源功率因数校正8.1

3、.2功率变换器与有源功率因数校正8.1.2功率变换器与有源功率因数校正图8-4电压传输比(t)与时间的关系a) 整流直流侧电压b) 电压传输比(t)8.1.2功率变换器与有源功率因数校正图8-5有源功率因数校正变换器a)升压型功率因数校正变换器b) 降升压型功率因数校正变换器c) Cuk型功率因数校正变换器d) 反激式功率因数校正变换器e) SEPIC PFCf) Zeta PFC8.1.2功率变换器与有源功率因数校正8.1.2功率变换器与有源功率因数校正图8-6有源功率因数校正变换器的输出电流8.1.2功率变换器与有源功率因数校正图8-7功率因数校正的控制框图8.1.2功率变换器与有源功率因

4、数校正8-8.单相BOOST功率因数校正变换器8.1.2功率变换器与有源功率因数校正8.1.2功率变换器与有源功率因数校正图8-9BOOST变换器的工作模式a) BOOST变换器b) 电感电流连续模式(CCM)模式c) 电感电流断续模式(DCM)模式8.1.2功率变换器与有源功率因数校正8.2CCM单相BOOST功率因数校正变换器8.2.1电路原理分析8.2.2CCM单相BOOST功率因数校正变换器的控制8.2.1电路原理分析1.开关周期阶段分析2.占空比D3.输出滤波电容电流纹波1.开关周期阶段分析(1) 阶段1(0, DTs)：BOOST电感充磁阶段(2) 阶段2(DTs，Ts)：BOOS

5、T电感放磁阶段1.开关周期阶段分析1.开关周期阶段分析图8-10CCM Boost PFC电路与阶段分析等效电路a) Boost PFC电路b) 阶段1等效电路c) 阶段1等效电路(1) 阶段1(0, DTs)：BOOST电感充磁阶段(2) 阶段2(DTs，Ts)：BOOST电感放磁阶段2.占空比D2.占空比D2.占空比D图8-11占空比函数D(t)和PWM信号3.输出滤波电容电流纹波3.输出滤波电容电流纹波3.输出滤波电容电流纹波图8-12电容电流及频谱a) 流入电容的电流b) 电容的电流频谱3.输出滤波电容电流纹波3.输出滤波电容电流纹波8.2.2CCM单相BOOST功率因数校正变换器的控

6、制图8-13CCM单相BOOST功率因数校正变换器的控制框图8.2.2CCM单相BOOST功率因数校正变换器的控制8.2.2CCM单相BOOST功率因数校正变换器的控制图8-14PWM调制器原理8.2.2CCM单相BOOST功率因数校正变换器的控制图8-15CCM Boost PFC电路的改进8.2.2CCM单相BOOST功率因数校正变换器的控制8.2.2CCM单相BOOST功率因数校正变换器的控制图8-16电流平均值控制a) 电流平均值控制框图b) 电感电流波形8.2.2CCM单相BOOST功率因数校正变换器的控制图8-17滞环控制a) 电流滞环控制框图b) 电感电流波形8.2.2CCM单相

7、BOOST功率因数校正变换器的控制图8-18电流峰值控制a) 电流峰值控制框图b) 电感电流波形8.3DCM单相BOOST功率因数校正变换器8.3.1CRM单相BOOST功率因数校正变换器电路分析8.3.2CRM单相BOOST功率因数校正变换器的控制8.3DCM单相BOOST功率因数校正变换器图8-19BOOST变换器及采用CF时的电路波形8.3DCM单相BOOST功率因数校正变换器图8-20临界工作模式BOOST变换器及电路波形8.3DCM单相BOOST功率因数校正变换器图8-21两个CRM模式的BOOST变换器并联组合8.3DCM单相BOOST功率因数校正变换器8.3DCM单相BOOST功

8、率因数校正变换器图8-22输入总电流a) 驱动脉冲的相位差为零b) 驱动脉冲的相位差为180c) 驱动脉冲的相位差为180，且占空比为50%d) 驱动脉冲的相位差为180，但两个电感的峰值电流不同8.3.1CRM单相BOOST功率因数校正变换器电路分析图8-23在CRM模式中电感电流波形8.3.1CRM单相BOOST功率因数校正变换器电路分析图8-24CRM模式下工作状态a) 阶段1(0,)b) 阶段2(,)8.3.1CRM单相BOOST功率因数校正变换器电路分析8.3.1CRM单相BOOST功率因数校正变换器电路分析8.3.1CRM单相BOOST功率因数校正变换器电路分析8.3.1CRM单相

9、BOOST功率因数校正变换器电路分析8.3.1CRM单相BOOST功率因数校正变换器电路分析8.3.1CRM单相BOOST功率因数校正变换器电路分析8.3.1CRM单相BOOST功率因数校正变换器电路分析图8-25在CRM模式下开关频率与输入交流瞬时值的关系a) =230,=400Vb) =90,=400V8.3.1CRM单相BOOST功率因数校正变换器电路分析8.3.1CRM单相BOOST功率因数校正变换器电路分析8.3.1CRM单相BOOST功率因数校正变换器电路分析图8-26开关频率极小值与输入电压有效值的关系8.3.1CRM单相BOOST功率因数校正变换器电路分析8.3.1CRM单相B

10、OOST功率因数校正变换器电路分析8.3.2CRM单相BOOST功率因数校正变换器的控制图8-27CRM单相BOOST功率因数校正变换器的控制框图8.4其他单相功率因数校正变换技术8.4.1无桥型功率因数校正变换电路8.4.2低频开关功率因数校正变换电路8.4.3窗口控制功率因数校正变换电路8.4.1无桥型功率因数校正变换电路图8-28单相BOOST功率因数校正变换电路的改进a) 传统BOOST PFCb) 无桥型PFC8.4.2低频开关功率因数校正变换电路图8-29低频开关功率因数校正变换电路a)电路b) 输入电压、电流、开关驱动脉冲8.4.2低频开关功率因数校正变换电路图8-30工作阶段1

11、8.4.2低频开关功率因数校正变换电路8.4.2低频开关功率因数校正变换电路图8-31工作阶段28.4.2低频开关功率因数校正变换电路图8-32工作阶段38.4.2低频开关功率因数校正变换电路8.4.2低频开关功率因数校正变换电路图8-33工作阶段48.4.2低频开关功率因数校正变换电路8.4.2低频开关功率因数校正变换电路图8-34电感值和功率因数的关系(=1.6ms，=0.7ms，L=26mH，C=1.5mF, =230)8.4.3窗口控制功率因数校正变换电路8.4.3窗口控制功率因数校正变换电路图8-35PFC电路输入功率分析8.4.3窗口控制功率因数校正变换电路图8-36功率因数校正变

12、换电路窗口控制概念图8.4.3窗口控制功率因数校正变换电路图8-37窗口功率因数校正变换电路实现方式8.5三相PFC原理8.5.1三相单开关Boost PFC电路的控制8.5.2三相六开关PFC电路的控制8.5.3其他三相PFC电路8.5三相PFC原理图8-38三相单开关Boost PFC电路8.5.1三相单开关Boost PFC电路的控制1.工作原理2.电路的控制1.工作原理(1) 阶段1(t0tt1)：电感充磁阶段(2) 阶段2(t1tt2)：电感电流下降第一阶段(3) 阶段3(t2tt3)：电感电流下降第二阶段(4) 阶段4(t3tt4)：断流阶段1.工作原理图8-39三相电网电压波形及

13、扇区划分1.工作原理图8-40三相单开关Boost PFC电路一个开关周期的波形(1) 阶段1(t0tt1)：电感充磁阶段图8-41DCM模式下电路各工作阶段等效电路a) 电感充磁阶段b) 电流下降第一阶段c) 电流下降第二阶段d) 断流阶段(1) 阶段1(t0tt1)：电感充磁阶段(1) 阶段1(t0tt1)：电感充磁阶段(1) 阶段1(t0tt1)：电感充磁阶段(2) 阶段2(t1tt2)：电感电流下降第一阶段(2) 阶段2(t1tt2)：电感电流下降第一阶段(2) 阶段2(t1tt2)：电感电流下降第一阶段(2) 阶段2(t1tt2)：电感电流下降第一阶段(2) 阶段2(t1tt2)：电

14、感电流下降第一阶段(3) 阶段3(t2tt3)：电感电流下降第二阶段(4) 阶段4(t3tt4)：断流阶段(4) 阶段4(t3tt4)：断流阶段(4) 阶段4(t3tt4)：断流阶段图8-42电流波形与整流输出(4) 阶段4(t3tt4)：断流阶段图8-43各次谐波幅值与整流(4) 阶段4(t3tt4)：断流阶段图8-44三相单开关PFC电路的控制2.电路的控制2.电路的控制图8-45谐波注入法控制框图8.5.2三相六开关PFC电路的控制1) 各相桥臂上下开关管的驱动脉冲信号在相位上互补；2) 占空比由幅度调制比决定；3) 任何时刻，桥中总有三个驱动脉冲信号处于高电平，即桥中有三个开关管处于导

15、通状态。8.5.2三相六开关PFC电路的控制图8-46三相电压型PWM整流器主电路8.5.2三相六开关PFC电路的控制图8-47三相电压型PWM整流器工作波形8.5.2三相六开关PFC电路的控制图8-48三相PWM整流器交流基波等效电路8.5.2三相六开关PFC电路的控制8.5.2三相六开关PFC电路的控制图8-49三相PWM整流器交流基波等效电路的相量图a)基波功率因数角为时的相量图b)基波功率因数角=0时的相量图8.5.2三相六开关PFC电路的控制8.5.3其他三相PFC电路1.三相双开关PFC2.三相三开关PFC电路3.电流型三相PFC电路1.三相双开关PFC图8-50三相双开关三电平PFC电路及控制框图1.三相双开关PFC图8-51三相三开关三电平PFC电路2.三相三开关PFC电路图8-52维也纳整流电路3.电流型三相PFC电路图8-53电流型三相PFC电路8.6本章小结有源功率因数校正技术是使整流电路获得较高的功率因数的一种功率变换技术,包含有源功率因数校正变换电路拓扑及其控制技术。单相BOOST 型功率因数校正变换器