带PFC的开关电源作用介绍 浅谈带PFC的开关电源性能特点

工程师谭军 发表于 2018-10-09 09:54:38 收藏 已收藏
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带PFC的开关电源作用介绍 浅谈带PFC的开关电源性能特点

工程师谭军 发表于 2018-10-09 09:54:38

  本文主要是关于PFC稳压开关电源的相关介绍,并着重对PFC稳压开关电源的作用及性能特点进行了详尽的阐述。

  PFC稳压开关电源

  PFC就是功率因数校正的意思,主要用来表征电子产品对电能的利用效率。功率因数越高,说明电能的利用效率越高。

  PC电源采用传统的桥式整流、电容滤波电路会使AC输入电流产生严重的波形畸变,向电网注入大量的高次谐波,因此网侧的功率因数不高,仅有0.6左右,并对电网和其它电气设备造成严重谐波污染与干扰。早在80年代初,人们已对这类装置产生的高次谐波电流所造成的危害引起了关注。1982年,国际电工委员会制订了IEC55-2限制高次谐波的规范(后来的修订规范是IEC1000-3-2),促使众多的电力电子技术工作者开始了对谐波滤波和功率因数校正(PFC)技术的研究。电子电源产品中引入PFC电路,就可以大大提高对电能的利用效率。

  PFC有两种,一种是无源PFC(也称被动式PFC),一种是有源PFC(也称主动式PFC)。无源PFC一般采用电感补偿方法使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数,但无源PFC的功率因数不是很高,只能达到0.7~0.8;有源PFC由电感电容及电子元器件组成,体积小,可以达到很高的功率因数,但成本要高出无源PFC一些。

  有源PFC电路中往往采用高集成度的IC,采用有源PFC电路的PC电源,至少具有以下特点:

  1)输入电压可以从90V到270V;

  2)高于0.99的线路功率因数,并具有低损耗和高可靠等优点;

  3)IC的PFC还可用作辅助电源,因此在使用有源PFC电路中,往往不需要待机变压器;

  4)输出不随输入电压波动变化,因此可获得高度稳定的输出电压;

  5)有源PFC输出DC电压纹波很小,且呈100Hz/120Hz(工频2倍)的正弦波,因此采用有源PFC的电源不需要采用很大容量的滤波电容。

  在上世纪80年代起,用电器具大量的采用效率高的开关电源,由于开关电源都是在整流后用一个大容量的滤波电容,使该用电器具的负载特性呈现容性,这就造成了交流220V在对该用电器具供电时,由于滤波电容的充、放电作用,在其两端的直流电压出现略呈锯齿波的纹波。滤波电容上电压的最小值远非为零,与其最大值(纹波峰值)相差并不多。根据整流二极管的单向导电性,只有在AC线路电压瞬时值高于滤波电容上的电压时,整流二极管才会因正向偏置而导通,而当AC输入电压瞬时值低于滤波电容上的电压时,整流二极管因反向偏置而截止。也就是说,在AC线路电压的每个半周期内,只是在其峰值附近,二极管才会导通。虽然AC输入电压仍大体保持正弦波波形,但AC输入电流却呈高幅值的尖峰脉冲,如图2所示。这种严重失真的电流波形含有大量的谐波成份,引起线路功率因数严重下降。

  在正半个周期内(1800),整流二极管的导通角大大的小于1800甚至只有300-700,由于要保证负载功率的要求,在极窄的导通角期间会产生极大的导通电流,使供电电路中的供电电流呈脉冲状态,它不仅降低了供电的效率,更为严重的是它在供电线路容量不足,或电路负载较大时会产生严重的交流电压的波形畸变(图3),并产生多次谐波,从而,干扰了其它用电器具的正常工作(这就是电磁干扰-EMI和电磁兼容-EMC问题)。

  图2:

  带PFC的开关电源作用介绍 浅谈带PFC的开关电源性能特点

  自从用电器具从过去的感性负载(早期的电视机、收音机等的电源均采用电源变压器的感性器件)变成带整流及滤波电容器的容性负载后,其功率因素补偿的含义不仅是供电的电压和电流不同相位的问题,更为严重的是要解决因供电电流呈强脉冲状态而引起的电磁干扰(EMI)和电磁兼容(EMC)问题。

  这就是在上世纪末发展起来的一项新技术(其背景源于开关电源的迅速发展和广泛应用)。其主要目的是解决因容性负载导致电流波形严重畸变而产生的电磁干扰(EMl)和电磁兼容(EMC)问题。所以现代的PFC技术完全不同于过去的功率因数补偿技术,它是针对非正弦电流波形畸变而采取的,迫使交流线路电流追踪电压波形瞬时变化轨迹,并使电流和电压保持同相位,使系统呈纯电阻性技术(线路电流波形校正技术),这就是PFC(功率因数校正)。

  所以现代的PFC技术完成了电流波形的校正也解决了电压、电流的同相问题。

  于以上原因,要求用电功率大于85W以上(有的资料显示大于75W)的容性负载用电器具,必须增加校正其负载特性的校正电路,使其负载特性接近于阻性(电压和电流波形同相且波形相近)。这就是现代的功率因数校正(PFC)电路。

  带PFC的开关电源作用介绍

  PFC的英文全称为“Power Factor Correction”,意思是“功率因数校正”,功率因数指的是有效功率与总耗电量(视在功率)之间的关系,也就是有效功率除以总耗电量(视在功率)的比值。 基本上功率因素可以衡量电力被有效利用的程度,当功率因素值越大,代表其电力利用率越高。带PFC的开关电源成本也相对高一些。

  开关电源是一种电容输入型电路,其电流和电压之间的相位差会造成交换功率的损失,此时便需要PFC电路提高功率因数。目前的PFC有两种,被动式PFC(也称无源PFC)和主动式PFC(也称有源式PFC)。

  被动式PFC一般分“电感补偿式”和“填谷电路式(Valley Fill Circuit)”   “电感补偿方法”是使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数,被动式PFC包括静音式被动PFC和非静音式被动PFC。被动式PFC的功率因数只能达到0.7~0.8,它一般在高压滤波电容附近。

  “填谷电路式”属于一种新型无源功率因数校正电路,其特点是利用整流桥后面的填谷电路来大幅度增加整流管的导通角,通过填平谷点,使输入电流从尖峰脉冲变为接近于正弦波的波形,将功率因数提高到0.9左右,显著降低总谐波失真。与传统的电感式无源功率因数校正电路相比,其优点是电路简单,功率因数补偿效果显著,并且在输入电路中不需要使用体积大重量沉的大电感器。

  而主动式PFC则由电感电容及电子元器件组成,体积小、通过专用IC去调整电流的波形,对电流电压间的相位差进行补偿。主动式PFC可以达到较高的功率因数──通常可达98%以上,但成本也相对较高。此外,主动式PFC还可用作辅助电源,因此在使用主动式PFC电路中,往往不需要待机变压器,而且主动式PFC输出直流电压的纹波很小,这种电源不必采用很大容量的滤波电容

  影响PF的并非是某个元器件,传统定义的相位差只是一种表现形式,而电容补偿又能补偿回来,这说明并非电感和电容是罪魁祸首,所以并不是某个元器件的问题,只是把问题放大了,即使在没有电感和电容的负载里无中生有找到了“原因”,就是半导体整流二极管的谐波问题,再无限放大,所以最后大家都不知道PF是什么了,其实也就是三人成虎罢了,电网需要无功功率的说法已经被打破了,99.9%的PF电源早已诞生,基本也就证明了电网运行并不需要所谓的“无功功率”,必须正视PF的原因才能解决PF的问题,所以无法回答你如何去提高PF值。原理上用电阻(PF=1)去加热转换成电能,PF恒定等于1,可见这是转换的过程,并非负载的原因,当然这个转换其实也是负载,所以分析问题要实事求是,更需要数据来证明,并不是简单的推理,无功功率是过去人为增加的定义,事实并没有证明无功功率的机理和数据,只是把理想值(视在功率)与负载消耗的功率(有功功率)的差值人为定义为无功功率,功率因数相应就产生了,其实是在人为的无功功率基础上产生的,也就是一种推理。

  PFC稳压开关电源的作用和特点

  在PFC开关电源当中,开关稳压电源是非常重要的一个组成部分。PFC当中的开关稳压电源功能和普通的开关稳压电源的区别并不巨大,只是在供电上有所区别。普通的开关稳压电源需要220V整流供电,而PFC稳压开关电源是由B+PFC供电。本文就将针对PFC电源进行简单的锚点介绍。

  整流以后不加滤波电容器,把未经滤波的脉动正半周电压作为斩波器的供电源,由于斩波器的一连串的做“开关”工作脉动的正电压被“斩”成电流波形,其波形的特点是:

  1、电流波形是断续的,其包络线和电压波形相同,并且包络线和电压波形相位同相。

  2、由于斩波的作用,半波脉动的直流电变成高频(由斩波频率决定,约100KHz)“交流”电,该高频“交流”电要再次经过整流才能被后级PWM开关稳压电源使用。

  3、从外供电总的看该用电系统做到了交流电压和交流电流同相并且电压波形和电流波形均符合正弦波形,既解决了功率因素补偿问题,也解决电磁兼容(EMC)和电磁干扰(EMI)问题。

  该高频“交流”电在经过整流二极管整流并经过滤波变成直流电压(电源)向后级的PWM开关电源供电。该直流电压在某些资料上把它称为:B+PFC(TPW-4211即是如此),在斩波器输出的B+PFC电压一般高于原220交流整流滤波后的+300V,其原因是选用高电压,其电感的线径小、线路压降小、滤波电容容量小,且滤波效果好,对后级PWM开关管要求低等诸多好处。

  目前PFC开关电源部分,起到开关作用的斩波管(K)有两种工作方式:

  1、连续导通模式(CCM):开关管的工作频率一定,而导通的占空比(系数)随被斩波电压的幅度变化而变化。

  2、不连续导通模式(DCM):斩波开关管的工作频率随被斩波电压的大小变化(每一个开关周期内“开”与“关”时间相等)。

  功率因素校正开关电源中的PFC开关电源部分和PWM开关电源部分的激励部分均由一块集成电路完成,一块IC可以完成设计。

  结语

  关于PFC稳压开关电源的线管介绍就到这了,如有不足之处欢迎指正。

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