功率因數(shù)校正在離線式電源中的應用
2012-08-03
本文所述的高 PFC 放置于輸入整流和 BUS 電容之間，工作頻率遠大于線電壓頻率，校正器吸收正弦半波輸入電流，相位與線電壓相位相同通過 BUS 直流電壓與參考電壓的比較控制電流。
結果是：
1、 改善功率因數(shù)到 0.95~0.99 。
2、 較少諧波（如果需要可〈 3% 〉。
3、 無間斷運行于 90~270V 線電壓范圍。
4、 嚴格控制 BUS 電容，使其電壓波動范圍很小，允許逆變器的低成本，高效設計。
5、 減小濾波電容，降低了成本。
6、 減小充電電流有效值，提高電容可靠性。
基本運行原理：
本文假定 PFC 工作頻率為 fs=100khz ，電網(wǎng)頻率為 60hz ，校正器吸收隨正弦半波電壓成正比變化的電流以獲得功率因數(shù)接近 1 的輸入。因此在整流橋輸入端電流與電壓同相位。當然，這只是用純電阻負載。擁有這種功能的校正電路叫做“電阻競爭者”。
輸入電流控制通過乘法器，讓表征整流輸入線電壓波形的正弦半波與控制電壓相乘，得到 VERR ， VERR 在每個半波內(nèi)必須恒定，因此可以控制 VERR 來控制 RMS 輸入電流，以控制每半個周期從電網(wǎng)吸收的能量。 VERR 代表 VDC 與參考電壓的偏差，經(jīng)放大轉變成誤差放大器的輸出。當 VDC 低時， VERR 變大，增大輸入功率以彌補濾波電容上能量的損失。
功率變換：盡管校正器輸入電流波形時正弦波，但它的輸出電流 ichg 是個正弦的平方的函數(shù), 通過思考校正器的輸入 / 輸出功率而非輸入 / 輸出電壓可以得到各個運行參數(shù)。假定為高輸入功率因數(shù)校正，其頻率遠大于工頻，在校正器上儲存和消耗的能量忽略不計（電感儲存的能量在每個開關周期上通常大于其傳遞的能量，但是在每工頻半周期內(nèi)可以忽略）。因此輸入與輸出功率相等。
BOOST 電路：
最常用的 HPFC 電路，輸出必須總大于輸入暫態(tài)值。輸入電流不需要關斷，由于電感的存在很小，減小了線路污染和 EMI ，另外線路的 SPIKE 被電感吸收，增加了系統(tǒng)可靠性。
電流連續(xù)模式下，輸入電感使電流控制模式得以很好應用以控制輸入電流正弦（電流控制實際市控制電感電流）。
晶體的位置使得其容易驅(qū)動，因為 S 和 E 極參考控制電路和電容的共同端。晶體最大電壓為電容電壓。
其最大的缺點是不能限流，因為其在輸入和輸出間沒有串聯(lián)開關。不能控制過載和啟動過電流，只有通過后續(xù)逆變部分提供保護。
還有，當輸入電壓比輸出電壓高的時候，其不起作用，這種情況發(fā)生在每次供電設備開機和線電壓足夠長時間的紊亂的時候。軟啟動沒有作用，因為在這種情況下 BOOST 電路不運行。晶體一直關斷，但是輸入電流將上升，其峰值將大于幾倍額定電流值，導致電感飽和，除非另加限流電路。
必須加入斜坡補償，以防止在 D 大于 0.5 （ VIN 〈 VDC/2 〉 時系統(tǒng)不穩(wěn)定。因為電感電流隨輸入電壓變化，所以斜坡補償很難控制，這個問題可以通過降低電流內(nèi)環(huán)帶寬避免，以致電感電流平均值被直接控制，而不是截取峰值電流。因為開關頻率遠大于電網(wǎng)頻率，所以有很大的空間去控制電流環(huán)的帶寬。
不連續(xù)的電感電流模式不能用在 HPFC 電路中，因為在峰值輸入電壓處電感電流下降很窄，因此紋波電流很小。但是在 HPFC 在輸入電壓峰值處，線電流也在其峰值處。擁有高峰值電流低紋波，電感電流必須連續(xù)。
本文所述的高 PFC 放置于輸入整流和 BUS 電容之間，工作頻率遠大于線電壓頻率，校正器吸收正弦半波輸入電流，相位與線電壓相位相同通過 BUS 直流電壓與參考電壓的比較控制電流。
結果是：
1、 改善功率因數(shù)到 0.95~0.99 。
2、 較少諧波（如果需要可〈 3% 〉。
3、 無間斷運行于 90~270V 線電壓范圍。
4、 嚴格控制 BUS 電容，使其電壓波動范圍很小，允許逆變器的低成本，高效設計。
5、 減小濾波電容，降低了成本。
6、 減小充電電流有效值，提高電容可靠性。
基本運行原理：
本文假定 PFC 工作頻率為 fs=100khz ，電網(wǎng)頻率為 60hz ，校正器吸收隨正弦半波電壓成正比變化的電流以獲得功率因數(shù)接近 1 的輸入。因此在整流橋輸入端電流與電壓同相位。當然，這只是用純電阻負載。擁有這種功能的校正電路叫做“電阻競爭者”。
輸入電流控制通過乘法器，讓表征整流輸入線電壓波形的正弦半波與控制電壓相乘，得到 VERR ， VERR 在每個半波內(nèi)必須恒定，因此可以控制 VERR 來控制 RMS 輸入電流，以控制每半個周期從電網(wǎng)吸收的能量。 VERR 代表 VDC 與參考電壓的偏差，經(jīng)放大轉變成誤差放大器的輸出。當 VDC 低時， VERR 變大，增大輸入功率以彌補濾波電容上能量的損失。
功率變換：盡管校正器輸入電流波形時正弦波，但它的輸出電流 ichg 是個正弦的平方的函數(shù), 通過思考校正器的輸入 / 輸出功率而非輸入 / 輸出電壓可以得到各個運行參數(shù)。假定為高輸入功率因數(shù)校正，其頻率遠大于工頻，在校正器上儲存和消耗的能量忽略不計（電感儲存的能量在每個開關周期上通常大于其傳遞的能量，但是在每工頻半周期內(nèi)可以忽略）。因此輸入與輸出功率相等。
BOOST 電路：
最常用的 HPFC 電路，輸出必須總大于輸入暫態(tài)值。輸入電流不需要關斷，由于電感的存在很小，減小了線路污染和 EMI ，另外線路的 SPIKE 被電感吸收，增加了系統(tǒng)可靠性。
電流連續(xù)模式下，輸入電感使電流控制模式得以很好應用以控制輸入電流正弦（電流控制實際市控制電感電流）。
晶體的位置使得其容易驅(qū)動，因為 S 和 E 極參考控制電路和電容的共同端。晶體最大電壓為電容電壓。
其最大的缺點是不能限流，因為其在輸入和輸出間沒有串聯(lián)開關。不能控制過載和啟動過電流，只有通過后續(xù)逆變部分提供保護。
還有，當輸入電壓比輸出電壓高的時候，其不起作用，這種情況發(fā)生在每次供電設備開機和線電壓足夠長時間的紊亂的時候。軟啟動沒有作用，因為在這種情況下 BOOST 電路不運行。晶體一直關斷，但是輸入電流將上升，其峰值將大于幾倍額定電流值，導致電感飽和，除非另加限流電路。
必須加入斜坡補償，以防止在 D 大于 0.5 （ VIN 〈 VDC/2 〉 時系統(tǒng)不穩(wěn)定。因為電感電流隨輸入電壓變化，所以斜坡補償很難控制，這個問題可以通過降低電流內(nèi)環(huán)帶寬避免，以致電感電流平均值被直接控制，而不是截取峰值電流。因為開關頻率遠大于電網(wǎng)頻率，所以有很大的空間去控制電流環(huán)的帶寬。
不連續(xù)的電感電流模式不能用在 HPFC 電路中，因為在峰值輸入電壓處電感電流下降很窄，因此紋波電流很小。但是在 HPFC 在輸入電壓峰值處，線電流也在其峰值處。擁有高峰值電流低紋波，電感電流必須連續(xù)。
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