PFC簡介
PFC的英文全稱為“PowerFactorCorrection”,意思是“功率因數校正”,作用是對輸入電流波形進行控制,使其同步輸入電壓波形。功率因數指的是有效功率與總耗電量(視在功率)之間的關系,也就是有效功率除以總耗電量(視在功率)的比值?;旧瞎β室蛩乜梢院饬侩娏Ρ挥行Ю玫某潭?,當功率因素值越大,代表其電力利用率越高。開關電源是一種電容輸入型電路,其電流和電壓之間的相位差會造成交換功率的損失,此時便需要PFC電路提高功率因數。目前的PFC有兩種,一種為被動式PFC(也稱無源PFC)和主動式PFC(也稱有源式PFC)。
PFC電路分類與作用
1、被動式PFC
被動式PFC一般分“電感補償式”和“填谷電路式(ValleyFillCircuit)”“電感補償方法”是使交流輸入的基波電流與電壓之間相位差減小來提高功率因數,被動式PFC包括靜音式被動PFC和非靜音式被動PFC。被動式PFC的功率因數只能達到0.7~0.8,它一般在高壓濾波電容附近?!?/p>
填谷電路式”屬于一種新型無源功率因數校正電路,其特點是利用整流橋后面的填谷電路來大幅度增加整流管的導通角,通過填平谷點,使輸入電流從尖峰脈沖變為接近于正弦波的波形,將功率因數提高到0.9左右,顯著降低總諧波失真。與傳統的電感式無源功率因數校正電路相比,其優點是電路簡單,功率因數補償效果顯著,并且在輸入電路中不需要使用體積大重量沉的大電感器。
2、主動式PFC
主動式PFC則由電感電容及電子元器件組成,體積小、通過專用IC去調整電流的波形,對電流電壓間的相位差進行補償。主動式PFC可以達到較高的功率因數──通??蛇_98%以上,但成本也相對較高。此外,主動式PFC還可用作輔助電源,因此在使用主動式PFC電路中,往往不需要待機變壓器,而且主動式PFC輸出直流電壓的紋波很小,這種電源不必采用很大容量的濾波電容。
解析pfc電路基本結構和工作原理
圖1為未加入PFC電路的整流電路的原理方框圖,圖2為工作波形。通過分析,我們可以看出.未加入PFC電路的整流電路穩定工作以后,只有在市電電壓的正負峰值附近二極管才導通,產生脈沖電流。造成離線電源功率因數降低的原因在于電流的導通角太小,在半個周期內遠遠小于180°,提高功率因數就要設法使電流的波形在整個周期內追蹤電壓的波形。
既然造成導通角太小的原因是整流器后面接人的大容量濾波電容,有源PFC電路基本思想就是在整流器和大容量濾波電容之間加入一級初級調整,把兩者進行隔離,此PFC初級調整變換器輸出一個基本穩定的DC電壓,同時其輸入電流能按照和市電一樣的正弦規律變化。
圖3所示電路為加入PFC電路的基本結構和工作原理。通過比較,我們可以比較明確看出PFC電路在電源電路結構中的位置和作用。盡管PFC電路的具體形式繁多,不盡相同,工作模式也不一樣(CCM電流連續型、DCM不連續型、CRM臨界型),但基本的結構大同小異,大部分都是采用升壓的boost拓撲結構,因為這種電路形式優點比較多。這也是一種典型的升壓開關電路,基本的思想就是前面說的把整流電路和大濾波電容分割,通過控制PFC開關管的導通使輸入電流能跟蹤輸入電壓的變化。工作原理并不復雜,徹底搞清楚這個基本電路的原理,就能觸類旁通,給獨立分析電路打下基礎。在這個電路中,PFC電感L在MOS開關管0導通時儲存能量,在開關管截止時,電感L上感應出右正左負的電壓,將導通時儲存的能量通過升壓二極管Dl對大的濾波電容充電,輸出能量,只不過其輸入的電壓是沒有經過濾波的脈動電壓。值得注意的是,平板電視大部分PFC電感L上大都并聯著一個二極管D2,該二極管D2具有保護作用。
大家知道:PFC電路后面大的儲能濾波電容C和PFC電感L是串聯的,由于電感L上的電流不能突變,就對大的濾波電容C的浪涌電流起了限制作用。
并聯保護分流二極管D2.由于沒有電感的限制作用,對濾波電容的沖擊反而會更大,但它可以保護升壓二圾管,特別是PFC開關管。D1是快速恢復二極管(由于開關管是在電感電流不為零的時候關斷的,需要承受更大的應力,要求二極管有極低甚至為零的反向恢復電流),承受浪涌電流的能力較弱。減小反向恢復電流和提高浪涌電壓承載力是相互牽制的,而D2所采用的是普通的整流二極管,承受浪涌電流的能力很強,如1N5407的額定電流3A.浪涌電流可達200A。
該保護二極管D2表面上降低的是對PFC電感和升壓二極管的浪涌沖擊,但實際上還有一個重要的作用:保護PFC開關管。
在開機的瞬間,濾波電容的電壓尚未建立,由于要對大電容充電.通過PFC電感的電流相對比較大。如果在電源開關接通的瞬間是在正弦波的最大值時,對電容充電的過程中PFC電感L有可能會出現磁飽和的情況,此時PFC電路工作就麻煩了,在磁飽和的情況下,流過PFC開關管的電流就會失去限制,燒壞開關管。為防止悲劇發生,一種方法是對PFC電路工作的工作時序加以控制,即當對大電容的充電完成以后,再啟動PFC電路:另一種比較簡單的辦法就是在PFC線圈到升壓二極管上并聯一只二極管旁路。啟動的瞬間,給大電容的充電提供另一個支路,防止大電流流過PFC線圈造成飽和,過流損壞開關管,
保護開關管,同時該保護二極管D2也分流了升壓二極管D1上的電流,保護了升壓二極管。另外,D2的加入使得對大電容充電過程加快.其上的電壓及時建立,也能使PFC電路的電壓反饋環路及時工作,減小開機時PFC開關管的導通時間.使PFC電路盡快正常工作?!?,綜上所述,以上電路中二極管D2的作用是在開機瞬間或負載短路、PFC輸出電壓低于輸入電壓的非正常狀況下給電容提供充電路徑,防止PFC電感磁飽和對PFCMOS管造成的危險,同時也減輕了PFC電感和升壓二極管的負擔,起到保護作用。在開機正常工作以后,由于D2右面為B+PFC輸出電壓,電壓比左面高,D2呈反偏截止狀態,對電路的工作沒有影響,D2可選用可承受較大浪涌電流的普通大電流的整流二極管。在有些電源中,PFC后面的電容容量不大,也有的沒有接入保護二極管D2,但如果PFC后面是使用大容量的濾波電容,此二極管是不能減少的,對電路的安全性有著重要的意義。
有源PFC在現代逆變電源中的應用
帶有PFC功能的逆變器構成方案
具有功率因數校正功能的逆變器構成方案通常有三種:三級構成方案Ⅰ、三級構成方案Ⅱ和兩級構成方案。
1.三級構成方案Ⅰ
其結構如圖3所示。第一級是50Hz工頻變壓器,用來實現電氣隔離功能,從而保證電源設備的安全性,免受來自高壓饋電線的危險。第二級是功率因數校正電路,用來強迫線電流跟隨線電壓,使線電流正弦化,提高功率因數,減少諧波含量,其輸出是400V左右的高壓直流。第三級是DC-AC模塊,用來實現逆變功能,即通過控制逆變電路的工作頻率和輸出時間比例,使逆變器的輸出電壓或電流的頻率和幅值按照人們的意愿或設備工作的要求來靈活地變化。
這是一種較早采用的方案,技術也比較成熟,其主要優點是電路結構簡單,實現較為容易。主要缺點是電能經過三級變換,降低了逆變器的可靠性和效率;工頻隔離變壓器體積龐大、笨重、耗費材料多;PFC級的輸出,即DC-AC的輸入為400V左右的高壓直流電,這就對許多需要逆變級具有低壓輸入的應用場合產生了限制。比如鐵路用逆變器和航空用逆變器等多個重要的逆變器應用領域都需要110V的正弦交流電輸出,若采用這種構成方案,則不僅可靠性難以得到保證,而且逆變器的效率會進一步降低,一般不會超過80%。
2.三級構成方案Ⅱ
其結構如圖4所示。第一級是PFC級,其結構功能與三級構成方案Ⅰ中的PFC電路相同。第二級是DC-DC級,用來調節PFC輸出電壓和實現電氣隔離。第三級是DC-AC模塊,其結構功能與三級構成方案Ⅰ中的DC-AC電路相同。這是目前應用較多的一種方案,是中大功率應用的最佳選擇。
這種方案的主要優點是去掉了笨重龐大的工頻變壓器;每一級均有各自的控制環節,使得該電路具有良好的性能;DC-AC的輸入電壓可根據逆變輸出的不同要求進行調整,適用于各種功率場合,效率較三級構成方案Ⅰ有所提高。缺點是各級都需要一套獨立的控制電路,增加了器件數目和控制電路的復雜性;由于電能同樣經過三級變換,使得逆變器的可靠性和效率仍然不能令人滿意。
3.兩級構成方案
針對以上兩種方案的不足,人們提出了一種兩級構成方案。該方案將三級構成方案Ⅱ中的前兩級合并為一級,使PFC和DC-DC級共用開關管和控制電路(如圖5所示),并通過高頻變壓器得到可調PFC輸出直流電壓,實現電氣隔離,如圖5所示。這種方案保持了三級構成方案Ⅱ中的優點,而且改進了三級構成方案Ⅱ的不足之處??傊?,可靠性高、效率高、成本低是這種逆變器構成方案最顯著的優點。
結論
將這三種逆變器的構成方案進行比較后不難發現,它們的逆變部分結構和功能完全相同,區別僅在于整流環節,即通過不同方法產生經隔離和功率因數校正后的(可調)直流電壓,來作為逆變級的輸入。由于單級PFC電路將PFC級和DC-DC級結合在一起,能量只被處理一次,用一個控制器就能完成輸入PFC和輸出電壓調節功能,因此非常適用于逆變電源的前級整流環節。采用單級PFC電路的逆變器具有更高的可靠性,更高的效率和更低的成本。所以,帶單級PFC電路的兩級逆變技術成為電力電子領域研究的一個熱門課題。
盡管單級PFC電路具有上述優點,但是與傳統的兩級式PFC變換器相比,它要承受更高的電壓應力,有更多的功率損耗。這些問題在開關頻率較高時顯得尤為突出,影響了變換器工作的可靠性和開關頻率的進一步提高,也限制了其在大功率場合的應用。為此,近些年又提出了各種軟開關技術,如零電流開關(ZCS)、零電壓開關(ZVS)、零電壓轉換-脈寬調制(ZVT-PWM)、零電流轉換-脈寬調制(ZCT-PWM)等,有效地解決了這些問題,使得單級PFC電路在逆變電源系統中具有了更廣闊的應用前景。
因此在現代逆變電源系統中,功率因數校正電路是一個不可或缺的重要組成部分。功率因數校正可以分為無源功率因數校正技術(Passive PFC)和有源功率因數校正技術(Active PFC)。無源功率因數校正技術是采用無源器件,如電感和電容組成得諧振濾波器來實現PFC功能;有源功率因數校正技術則采用了有源器件,如開關管和控制電路來實現PFC功能?,F代逆變電源系統應用的多為有源功率因數校正技術,可以將輸入電流校正成與輸入電壓同相的正弦波,將功率因數提高至接近1。
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