开关电源技术应用与维修杨亚平电子教案和教学指南第7章

第7章功率因数(ɡōnɡlǜyīnshù)校正器的应用与维修开关电源以其效率高、功率密度高而在电源领域中占主导地位，但传统的开关电源存在一个致命的弱点：功率因数低，一般为0.45～0.75左右，而且其无功分量(fènliàng)基本上为高次谐波。从1992年起国际上开始以立法的形式限制高次谐波，传统的开关电源亦在在限制之列。为满足IEC1000-3-2《家用电器及类似电气设备发出的谐波电流限制》等标准要求，开关电源中采用功率因数校正技术势在必行。本章主要讲述功率因数校正电路的类型和基本原理，功率因数校正电路的实际应用以及功率因数校正电路的维修。精品资料7.1功率因数(ɡōnɡlǜyīnshù)校正的基本原理7.1.1电流谐波含量与功率因数校正(jiàozhèng)1.提高开关电源功率因数的意义用电设备的功率因数和输入电源的谐波含量都是供电系统和用电部门极为关心的两项技术指标，不论是从保证电力系统的安全经济运行，还是从保护用电设备以及人身安全来看，都必须使用低谐波含量、高功率因数的开关电源，这对各方面来说都是十分必要的。精品资料2.开关电源输入电流的谐波含量只有在输入交流电压的峰值附近，整流二极管才会导通，它的导通角大约为60o，交流整流滤波电路(diànlù)与输入电压、电流波形如图7-1所示。图7-1交流(jiāoliú)整流滤波电路与输入电压、电流波形精品资料3.功率因数与电流谐波的关系非正弦脉冲电流中含有大量(dàliàng)的谐波分量，n次谐波电流与基波电流之比称为n次谐波含有率，(n次谐波含量）。用n次谐波总的电流有效值与基波电流有效值的百分比表示电流总谐波含量，称为总谐波畸变率（THD)，简称总谐波畸变。即式中In(rma)为n次谐波电流的有效值，有关功率因数PF的表达式为式中Φ1为基波电流与电压间的相位差，这就是功率因数与THD的关系。精品资料7.1.2有源功率因数校正的基本原理功率因数校正(PFC)技术可分为(fēnwéi)两大类：一类是无源PFC技术；另一类是有源PFC技术。图7-2有源功率因数校正基本(jīběn)工作原理图精品资料(a)Vdc与IL(b)Vi与Ii图7-3功率因数校正电路输入电压及输入电流(diànliú)波形精品资料7.1.3有源功率因数(ɡōnɡlǜyīnshù)校正电路的类型图7-4有源功率因数校正电路(diànlù)的主要类型精品资料在开关电源中，以升压型PFC校正电路作为预调整器最为流行。它的主要优点是：(1)能有效地抑制输入电源的电流谐波含量，完全可以达到甚至远远低于谐波电流畸变指标要求(yāoqiú)；(2)能将系统功率因数提高到几乎等于1的水平，完全能满足世界各国对功率因数和总谐波含量的技术标准要求(yāoqiú)；(3)能输出低纹波含量的直流电压，能确保开关电源的纹波电压指标；(4)能实现电压宽带输入(85～265V)，当输入交流输入电压在较大的范围内变动时，可得到稳定的直流电压输出；(5)消除了浪涌电压及尖峰电压对电路元件的冲击，提高了开关电源的可靠性和安全性，延长了开关电源的使用寿命。精品资料7.1.4有源功率因数校正的控制方法1、峰值电流控制法峰值电流控制法是检测PFC电路中的开关电流，采用恒定(héngdìng)的开关电源工作频率，只有稳定的工作频率才能有效地、快速地测出峰值电流，并将这一电流“削尖”、均化来控制开关管，进行PWM调节，使输入电流波形与输入电压保持一致，从而提高功率因数。由于输入电流被“削尖”，在电路上对输入电流波形需要进行斜率补偿。精品资料图7-5峰值电流控制法的有源功率因数(ɡōnɡlǜyīnshù)校正电路精品资料图7-6峰值(fēnɡzhí)电流控制法的电感电流波形图精品资料2、滞环电流控制法滞环电流控制法是检测PFC电路中电感上的电流，当电感电流上升达到一定值时，功率(gōnglǜ)开关管开始导通，电感电流下降到一定值时，功率(gōnglǜ)开关管陡然截止，它的控制方式是利用工作频率的改变来控制功率(gōnglǜ)开关管的导通和截止。一般输出滤波电路按最低工作频率考虑，所以，开关电源的体积和重量是最小的，工作损耗较小。精品资料图7-7滞环电流控制法的有源功率因数(ɡōnɡlǜyīnshù)校正原理图精品资料图7-8滞环电流(diànliú)控制法的电感电流(diànliú)波形图图7-9滞环逻辑控制电路精品资料3、平均电流控制法平均电流法是开关电源和电子镇流器中有源功率因数校正用得最多的一种方法。总谐波(xiébō)含量THD值小，对噪声不敏感，电感电流峰值与平均值之间的误差小，具有恒定的工作频率，可以任意组成各种控制电路，输出电压可以随便调节。这种方法的缺点是控制电路比较复杂，需要增添电流误差放大器。精品资料图7-10平均电流控制法有源功率因数(ɡōnɡlǜyīnshù)校正原理图图7-11平均电流控制法的电感电流波形图精品资料7.2功率因数校正(jiàozhèng)电路的应用7.2.1由KA7524构成的峰值(fēnɡzhí)电流控制电路图7-12由KA7524构成的峰值电流控制PFC电路图精品资料图7-13KA7524内部电路(diànlù)框图精品资料(1)升压变换电路升压变换电路也叫升压电感器。升压变换电路中变压器TR的一次绕组Np是PFC调整器的升压电感Lp，起着峰值电流传递(chuándì)和升压的作用。TR的二次绕组NS的作用有二：一是作为零电流检测传感器；二是与电阻R4、整流二极管VD5和电容C3组成电源滤波整流电路，供给KA7524调制器启动电压。因此TR是PFC升压变换电路中的关键元件之一。精品资料图7-14升压变换电路电感(diànɡǎn)电流Ip的波形图精品资料(2)乘法器电路在电路中，电阻R1、R2是乘法器取压的分压电阻；R11是电流传感电阻；R12、R13是误差放大器偏置电阻。另外，还有补偿网络的C4和R7、R8等，这些都是PFC调整器的重要元件，IC1的3脚是乘法器的电压(diànyā)输入端，该脚输入电压(diànyā)的最大值不得超过2V，电容C2的作用是高频滤波，旁路掉输入部分的尖峰电压(diànyā)。KA7524乘法器输入电压(diànyā)VMO的大小，由4脚输出的门限电压(diànyā)决定。开关管VT的源极串接电阻R11，用来检测升压变换电路一次绕组Np的电流，峰值电流通过4脚的门限电压(diànyā)来控制。KA7524的乘法器增益K=0.8，基准电VREF=2.5V。精品资料(3)误差放大器电路中电阻R12、R13是误差放大器的偏置电阻，在保证误差放大器正常工作的前提下，可用来调整输出电压Vo的高低。IC1(KA7524)工作在高频时，可以顺利地进行脉冲(màichōng)控制转换，可是在低频下往往对一些低频信号有“丢失”的现象，所以在IC1的反相输入端与误差放大器的输出端之间并接有由C4和R7、R8组成的频率补偿网络，用以防止信号“丢失”和抑制正升压变换电路的输出电压纹波。电阻R7、R8用于改善负载的瞬态响应，要求R8＞＞R13。精品资料(4)启动电路启动电路的元件包括R3和C3。升压电感Lp在输入脉动电压的作用下，在二次绕组中感应出电流Is。升压变换电路的二次绕组Ns的两端电压为15V，此电压通过二极管VD5和电容C3整流滤波后，向IC1的8脚提供12V的直流电压。二次侧脉动电压通过R5向IC1提供3mA的控制电流。R5的阻值为22kΩ,VD5选用快速恢复二极管1N4148。R4是限流电阻，其阻值不能太大，否则会引起损耗，使供给(gōngjǐ)IC1的电流不足。启动电阻R3应保证在最低输入电压VIN(min)下，为IC1提供足够大的启动电流。精品资料(5)输入、输出电路C1是PFC电路的输入电容，它的作用是滤除高次谐波(xiébō)，C1选用0.47μF/630V的薄膜电容；电容C6是PFC电路的输出滤波电容，用于滤除脉动交流成分，使输出电压平滑。C6选用47μF/450V的电解电容。整流二极管VD1～VD4的选用要注意两个问题，第一是二极管的最大电流问题。流入每只二极管的电流为正弦波，选用二极管时，应使其额定电流大于平均工作电流的3倍，即IF＞3IAVE。第二，二极管的最高反向工作电压VRM是二极管工作电压峰值的2倍，即VRM＞2VIN(max)。VD1～VD4可选用1000V/1A的硅整流二极管1N4007。精品资料7.2.2由UC3854构成的平均电流控制电路UC3854是美国尤尼特鲁德公司(ɡōnɡsī)生产的单片集成电路，它是采用固定频率平均电流控制法的PFC控制器，工作于电感电流连续模式。UC3854内部包括电流放大器、高频振荡器、模拟乘法器／除法器、电压放大器、过电流比较器、逻辑电路、低压电压检测器、7.5V的电压基准源、MOSFET栅极驱动器、负载赋能比较器和总线预测试器以及整形电路等。精品资料图7-15UC3854的内部结构框图(kuàngtú)精品资料图7-16UC3854的引脚排列(páiliè)图精品资料图7-17由UC3854构成(gòuchéng)的PFC电路精品资料7.2.3由ML4813构成的滞环电流控制电路ML4813是美国微线公司推出的产品，这种控制器采用16脚的封装排列，片内具有振荡器、误差放大器、电流限制比较器、PWM比较器、过电压比较器、欠电压封锁电路等。ML4813的1脚和3～8脚是-0.3～5.5V的模拟(mónǐ)电压输入端，驱动输出最大峰值电流达1A。启动门限电压为16V±1V，关断阈值电压为l0V±0.5V，启动电流为0.8mA，电源工作电流为20mA,IC振荡器的最大充电电流为5mA。该芯片的功能比一般芯片要强。精品资料图7-18ML4813的内部结构及引脚排列(páiliè)图精品资料图7-19由ML4813构成(gòuchéng)的反激式PFC电路精品资料图7-20反激式PFC输出(shūchū)电压波形图图7-21反激式PFC电路电感(diànɡǎn)电流波形图精品资料7.2.4由FA5331P构成的有源PFC电路有源PFC控制器FA5331P(M)/FA5332P(M）为双极型单片集成电路，它为设计低输入电流谐波含量和高功率因数的预变换器，可提供一切所必需的功能。FA5332P(M）与FA5331P(M）比较，在轻负载特性方面有重大(zhòngdà)改进，属于第二代PFC控制器。FA5331P(M)/FA5332P(M)采用16脚SOP和DIP封装，其内部结构框图如图7-22所示。精品资料图7-22FA5331P(M)/FA5332P(M)内部结构框图(kuàngtú)精品资料表7-4FA5331P(M)/FA5332P(M）的各引脚功能(gōngnéng)引脚号符号功能描述脚号符号功能描述1IFB电流误差放大器输出9VC输出电路电源电压2IIN-误差放大器反相输入10VCCIC电源电压3VDET乘法器输入11CS软启动4OVP过电压保护输入12ON/OFF输出开/关控制输入5VFB电压误差放大器输出13REF参考电压6VIN-误差放大器反相输入14SYNC振荡器同步输入7GND地15CT振荡器定时电容和电阻，8OUT输出16IDET电流误差放大器同相输入精品资料图7-23由FA5332P构成(gòuchéng)的升压式APFC电路原理图精品资料7.2.5由TOPSwitch构成的有源PFC电路有源功率因数校正（APFC）技术能够实现各种电源(diànyuán)装置电网侧电流正弦化，使电网资源得到充分利用，可基本上消对电网的高次谐波污染，净化电网。单相有源PFC实现方式有多种多样，较为常见的有用UC3854为控制IC的3kW以下的电路，但该电路较为复杂，外围元件多，特别是小功率的应用时。精品资料1.TOPSwitch在PFC中的应用(yìngyòng)原理图7-25由TOPSwitch构成(gòuchéng)的升压型APFC电路精品资料2．TOPSwitch功率因数校正预调整原理TOPSwitch采用恒频可变占空比的控制方式。在整个工作过程中，升压电感上的电流是其上的电流和升压二极管电流的代数和（IL=IT+ID),TOPSwit