開關(guān)電源PFC及其工作原理1

什么是功率因數(shù)補償,什么是功率因數(shù)校正:

功率因數(shù)補償:在上世紀五十年代,已經(jīng)針對具有感性負載的交流用電器具的電壓和電流不同相(圖1)從而引起的供電效率低下提出了改進方法(由于感性負載的電流滯后所家電壓,由于電壓和電流的相位不同使供電線路的負擔加重導(dǎo)致供電線路效率下降,這就要求在感性用電器具上并聯(lián)一個電容器用以調(diào)整其該用電器具的電壓/電流相位特性,例如:當時要求所使用的40w日光燈必須并聯(lián)一個4.75uF的電容器)。用電容器并連在感性負載,利用其電容上電流超前電壓的特性用以補償電感上電流滯后電壓的特性來使總的特性接近于阻性,從而改善效率低下的方法叫功率因數(shù)補償(交流電的功率因素可以用電源電壓與負載電流兩者相位角的余弦函數(shù)值\cos? \varphi 表示)。

圖1 在具有感性負載中供電線路中電壓和電流的波形

而在上世紀80年代起,用電器具大量的采用效率高的開關(guān)電源,由于開關(guān)電源都是在整流后用一個大容量的濾波電容,使該用電器具的負載特性呈現(xiàn)容性,這就造成了交流220V在對該用電器具供電時,由于濾波電容的充/放電作用,在其兩端的直流電壓出現(xiàn)略呈鋸齒波的紋波。在濾波電容上電壓的最小值遠非為0,與其最大值(紋波峰值)相差并不多。根據(jù)整流二極管的單向?qū)щ娦?,只有在AC線路電壓瞬時值高于濾波電容上的電壓是,整流二極管才會因正向偏置而導(dǎo)通,而當AC輸入電壓瞬時值低于濾波電容上的電壓是,整流二極管因反向偏置而截止。也就是說,在AC線路電壓的每個半周期內(nèi),只是在其峰值附近,二極管才會導(dǎo)通。雖然AC輸入電壓仍答題保持正弦波形,但AC輸入電流卻呈高幅值的尖峰脈沖,如圖2所示。這種嚴重失真的電流波形含有大量的諧波成分,引起線路功率因數(shù)嚴重下降。

圖2 全波整流后的電壓波形-正弦半周

在正半個周期內(nèi)(180^0),整流二極管的導(dǎo)通角大大的小于180^0 甚至只有30^0-70^0,由于要保證負載功率的要求,在極窄的導(dǎo)通角期間會纏身極大的導(dǎo)通電流,使供電電路中的供電電流呈脈沖狀態(tài),它不僅降低了供電的效率,更為嚴重的是它在供電線路容量不足,或電路負載較大時,會產(chǎn)生嚴重的交流電壓的波形畸變(圖3),并產(chǎn)生多次諧波,從而,干擾了其它用電器具的正常工作(這就是電磁干擾-EMI和電磁兼容-EMC問題)。

圖3

自從用電器具從過去的感性負載(早期的電視機/收音機等的電源均采用電源變壓器的感性器件)變成帶整流及濾波電容器的容性負載后,其功率因素補償?shù)暮x不僅是供電的電壓和電流不同相位的問題,更為嚴重的是要解決因供電電流呈強脈沖狀態(tài)而引起的電磁干擾(EMI)和電磁兼容(EMC)問題。

這就是在上世紀末發(fā)展起來的一項新技術(shù)(其背景源于開關(guān)電源的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用)。其主要目的是解決因容性負載導(dǎo)致電流波形嚴重畸變而產(chǎn)生的電磁干擾(EMI)和電磁兼容(EMC)問題。所以現(xiàn)代的PFC技術(shù)完全不同于過去的功率因素補償技術(shù),它是針對非正弦電流波形畸變而采取的,迫使交流線路電流追蹤電壓波形瞬時變化軌跡,并使電流和電壓保持同相位,使系統(tǒng)呈純電阻性技術(shù)(線路電流波形校正技術(shù)),這就是PFC(功率因數(shù)校正)。

所以現(xiàn)代的PFC技術(shù)完成了電流波形的校正也解決了電壓/電流的同相問題。

于以上原因,要求用電功率大于85W以上(有的資料顯示大于75W)的容性負載用電器具,必須增加校正其負載特性的校正電路,使其負載特性接近于阻性(電壓和電流波形同相且波形相近)。這就是現(xiàn)代的功率因數(shù)校正(PFC)電路。

容性負載的危害

下面的圖4是不用濾波電容的半波整流電路,圖5使用了大容量濾波電容的半波整流電路。我們根據(jù)這兩個電路來分析兩電路中電流的波形。

圖4

圖4A中D是整流管,R是負載。圖4B是該電流接入交流電時電路中電壓/電流波形圖,在(0^0 ~180^0 )t0~t3時間:t0時間電壓為零電流為零,在t1時間電壓達到最大值電流也達到最大值,在t3時間電壓為零電流為零。(二極管導(dǎo)通180^0 )

在(180^0 ~360^0 )t3~t4:時間:二極管反偏無電壓及電流。(二極管截止)

在(360^0~540^0 )t4~t6時間:t4時間電壓為零電流為零,在t5時間電壓達到最大值電流也達到最大值,在t6時間電壓為零電流為零。(二極管導(dǎo)通180^0)

結(jié)論:在無濾波電容的整流電路中,供電電路的電壓和電流同相,二極管導(dǎo)通角為180^0,對于供電線路來說,該電路呈現(xiàn)純阻性的負載特性。

(接下篇)

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