功率因数校正技术

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1、第 9章 功 率 因 数 校 正 技 术 9.1 谐 波 和 功 率 因 数 的 定 义 在 理 想 情 况 下 ， 电 网 中 的 电 压 和 电 流 都 是 正 弦 信 号 ，即 tUu 1sin tIi 1sin 1U :电 压 的 幅 值 I :电 流 的 幅 值 :电 网 电 压 的 角 频 率 :电 压 和 电 流 信 号 间 的 相 位 角 通 常 ， 电 网 电 压 是 由 电 网 中 的 电 源 发 电 机 决 定 的 ，而 电 网 中 的 电 流 则 是 由 连 接 于 电 网 的 负 载 决 定 。 某 些非 线 性 或 具 有 时 变 性 的 负 载 会 从 电 网 中

2、 吸 取 非 正 弦 电流 ， 如 三 相 感 性 整 流 负 载 的 电 流 为 图 9-1中 i的 波 形 。 这 些 波 形 是 非 正 弦 的 ， 但 仍 然 是 与 电 网 电 压 同 频 率 的周 期 信 号 ， 即 满 足 将 i(t)分 解 为 傅 里 叶 级 数 ， 即 图 （ 9-1） u， i0 tui 1Ttiti T1 :电 网 电 压 的 周 期 1 sinn nnn tIti 1111 sin tIti :基 波 成 分 在 电 网 中 电 压 为 正 弦 而 电 流 为 非 正 弦 的 的 情 况 下 ，负 载 吸 收 的 有 功 功 率 为 根 据 正 交 定

3、 理 ， 有 1 0 11 0 1 11 0 0 1111 11 1 1sinsin1 sinsin1 sinsin11n T nnnT n nnnT T n nnndtttIUT dtttIUT dttItUTdttituTP mn mndtmT n 00sinsin10 视 在 功 率 为 11 0 11111211 0 1111111 0 11111cos2 sincossincossin sincoscossinsin sinsin1 11 1 UI dttttTUI dttttTUI dtttIUTP TTT RRIUS UR、 IR :电 网 电 压 、 负 载 电 流 有 效 值

4、 功 率 因 数 为 RRIUUISP 11 cos2 RUU 2RII 11 2 由 于 电 网 电 压 是 正 弦 波 ， 因 此 ， 而 基 波 电流 的 波 形 也 是 正 弦 波 ， 因 此 ， 式 可 以 写 成RRII1111 coscos RRII :畸 变 因 数 ,标 志 着 电 流 波 形 偏 离 正 弦 的 程 度1cos,0cos 1cos:cos 1 故 也 有压 时 ， 滞 后 电， 而 当 基 波 电 流 超 前 或电 流 与 电 压 同 相 时 ， 小 ， 当 基 波电 流 与 电 压 间 的 相 位 大位 移 因 数 ， 标 志 着 基 波 如 果 电 流

5、是 正 弦 波 ， 则 I1R=IR, =1； 如 果 电 流 波 形 非正 弦 ， 则 因 为 I1RIR， 故 无 论 电 流 波 形 是 否 为 正 弦 ， 总 是 有 1。 2322211 2 RRRn nRR IIIII 功 率 因 数 不 为 1的 负 载 会 给 电 网 带 来 电 能 质 量问 题 ， 这 类 负 载 对 电 网 的 “ 污 染 ” 可 以 分 为谐 波 电 流 和 基 波 无 功 两 部 分 ， 它 们 共 同 的 危害 是 ： （ 1） 从 电 网 吸 去 无 功 电 流 ， 导 致 电 网 中流 动 的 功 率 增 加 ， 加 大 了 电 网 的 损 耗

6、。 （ 2） 增 加 了 发 电 和 输 变 电 设 备 的 负 担 ，降 低 了 电 网 的 实 际 可 以 传 递 的 有 功 功 率 的 大小 。 由 于 谐 波 电 流 是 非 正 弦 的 畸 变 电 流 ， 他 对 电网 的 危 害 更 大 ： （ 1） 造 成 电 网 电 压 畸 变 ， 影 响 其 他 设 备正 常 工 作 。 （ 2） 使 变 压 器 ， 发 电 机 ， 补 偿 电 容 等 设备 损 耗 增 加 ， 温 升 加 大 ， 甚 至 烧 毁 。 （ 3） 造 成 中 线 电 流 显 著 增 加 ， 导 致 中 线严 重 发 热 ， 引 起 火 灾 。 （ 4） 引 起

7、 电 网 谐 振 ， 破 坏 电 网 稳 定 性 。 （ 5） 造 成 电 网 中 继 电 保 护 装 置 误 动 作 。 9.2 开 关 电 源 的 功 率 因 数 校 正技 术 通 常 ， 开 关 电 源 的 输 入 级 采 用 二 极 管 构 成 的 不 可 控 容 性 整 流 电 路 ， 如图 9-2。 优 点 ： 结 构 简 单 、 成 本 低 、 可 靠 性 高 。 缺 点 ： 输 入 电 流 不 是 正 弦 波 ， 而 是 位 于 电 压 峰 值 附 近 的 脉 冲 ， 如 图 9-3。 电 流 波 形 中 含 有 大 量 的 谐 波 成 分 ， 因 此 该 电 路 的 功 率

8、因 数 很 低 ，通 常 仅 能 达 到 0.5-0.7， 总 谐 波 含 量 可 达 到 100%-150%以 上 ， 对 电 网 造成 严 重 的 污 染 。VD1 VD3VD2 VD4图 （ 9-2） u， i tui图 （ 9-3） 原 因 ： 二 极 管 整 流 电 路 不 具 有 对 输 入 电 流 的可 控 性 ， 当 电 源 电 压 高 于 电 容 电 压 时 ， 二 极管 导 通 ， 电 源 电 压 低 于 电 容 电 压 时 ， 二 极 管不 导 通 ， 输 入 电 流 为 零 ， 这 样 就 形 成 了 电 源电 压 峰 值 附 近 的 电 流 脉 冲 。 解 决 办 法

9、 ： 对 电 流 脉 冲 的 高 度 进 行 抑 制 ， 使电 流 波 形 尽 量 接 近 正 弦 波 ， 这 一 技 术 称 为 功率 因 数 校 正 （ Power Factor CorrectionPFC） 。 根 据 采 用 的 具 体 方 法 不 同 ， 分 为 无源 功 率 因 数 校 正 和 有 源 功 率 因 数 校 正 。 无 源 功 率 因 数 校 正 技 术 通 过 在 二 极 管 整 流 电 路 中 增加 电 感 、 电 容 等 无 源 元 件 和 二 极 管 ， 对 电 路 中 的 电流 脉 冲 进 行 抑 制 ， 以 降 低 电 流 谐 波 含 量 ， 提 高 功

10、率因 数 。 如 图 9-4为 一 种 典 型 的 无 源 功 率 校 正 电 路 。 优 点 ： 简 单 、 可 靠 ， 无 需 进 行 控 制 。 缺 点 ： 增 加 的 无 源 元 件 一 般 体 积 都 很 大 ， 成 本 也 较高 ， 并 且 功 率 因 数 通 常 仅 能 校 正 至 0.95左 右 ， 而 谐波 含 量 仅 能 降 至 30%左 右 ， 难 以 满 足 现 行 谐 波 标 准 的限 制 。 图 （ 9-4） VD1 VD3VD2 VD4 有 源 功 率 因 数 校 正 技 术 采 用 全 控 开 关 器 件 构 成的 开 关 电 路 对 输 入 电 流 的 波 形

11、 进 行 控 制 ， 使 之成 为 与 电 源 电 压 同 相 的 正 弦 波 ， 总 谐 波 含 量 可以 降 低 至 5%以 下 ， 而 功 率 因 数 能 高 达 0.995， 从而 彻 底 解 决 整 流 电 路 的 谐 波 污 染 和 功 率 因 数 低的 问 题 。 缺 点 ： 电 路 和 控 制 较 复 杂 、 开 关 器 件 的 高 速 开关 造 成 电 路 中 开 关 损 耗 较 大 、 效 率 略 将 低 于 无源 功 率 校 正 电 路 等 。 由 于 采 用 有 源 功 率 因 数 校 正 技 术 可 以 非 常 有 效地 降 低 谐 波 含 量 、 提 高 功 率 因

12、 数 ， 从 而 满 足 现行 最 严 格 的 谐 波 标 准 ， 因 此 其 应 用 越 来 越 广 泛 。 单 向 有 源 功 率 因 数 校 正 电 路 仅 有 一 个 全 控 开 关 器 件 。 该 电 路 容 易 实 现 ， 可靠 性 较 高 ， 应 用 广 泛 ， 基 本 上 已 经 成 为 功 率 在0.5kW-3kW范 围 内 的 单 相 输 入 开 关 电 源 的 标 准电 路 形 式 。 三 相 有 源 功 率 因 数 校 正 电 路 结 构 和 控 制 较 复 杂 ， 成 本 也 很 高 ， 因 此 目 前 三相 输 入 的 开 关 电 源 通 常 还 采 用 无 源 功

13、 率 因 数 校正 技 术 。 9.3 单 相 功 率 因 数 校 正 电 路一 、 基 本 原 理 开 关 电 源 中 常 用 的 单 相 PFC电 路 如 图 9-5所 示 。这 一 电 路 实 际 上 是 由 二 极 管 整 流 电 路 加 升 压型 斩 波 电 路 构 成 。L S 电 流跟 踪控 制 iLVD1 VD3VD2 VD4 VD5+- 电 压控 制 +- 电 压给 定图 （ 9-5）(a) (b) tu0 tu0 tu0 由 于 采 用 升 压 型 斩 波 电 路 ， 只 要 输 入 电 压不 高 于 输 出 电 压 ， 电 感 L的 电 流 就 完 全 受 开关 S的 通

14、 断 控 制 。 S通 时 ， L的 电 流 下 降 。 因 此 控 制 S的 占 空 比 按 正 弦 绝 对 值 规 律 变 化 ，且 与 输 入 电 压 同 相 ， 就 可 以 控 制 L的 电 流 波形 为 正 弦 绝 对 值 ， 从 而 使 电 流 的 波 形 为 正弦 波 ， 且 与 输 入 电 压 同 相 ， 输 入 功 率 因 数为 1。 升 压 型 有 源 PFC电 路 的 状 态 等 效 电 路 如 图 9-6。 升 压 型 电 路 的 输 入 电 压 是 正 弦 电 压 整 流 后 得 到 的 直流 脉 冲 波 形 ， 是 以 0, 为 周 期 重 复 的 ， 因 此 电

15、路中 输 入 电 压 的 表 达 式 定 义 在 0, 区 间 上 。 将 电 路中 的 电 压 和 电 流 用 相 量 表 示 ， 可 以 得 到 如 图 所 示 的相 量 图 。 图 （ 9-6） 01sin tUi oUD 1LI LI oUD 1 iU LILj 同 相 的 正 弦 波 。感 电 流 成 为 与 输 入 电 压 ， 就 可 以 使 电前 于 输 入 电 压的 电 压 为 正 弦 波 ， 且 超 ， 使 电 感 两 端。 即 通 过 控 制电 流 对 输 入 电 压 的 跟 踪 ， 就 可 以 实 现 电 感超 前比正 弦 规 律 变 化 ， 且 相 位 按使 得择 合

16、适 的 占 空 比 规 律 ， 只 要 选超 前 于 电 感 电 流电 感 两 端 的 电 压 电 感 电 流 相 量输 入 电 压 相 量 ； 90901, 90: tDU ILjUUDtD ILj IU i LioLLi LI oUD 1 iU LILj 控 制 规 律 D（ t） 由 如 图 的 控 制 电 路 产 生 。 电 流 跟 踪 控 制 电 路 使 电 感 电 流 跟 踪 电 流 给 定 信 号 ， 而 电 流 给 定 信 号 的 波 形 为 正 弦 绝 对 值 ， 因 此 电 感 电 流 的 波 形 也 为 正 弦 绝 对 值 ， 从 而 实 现 了 功 率 校 正 。 电

17、压 控 制 电 路 根 据 升 压 型 斩 波 电 路 的 输 出 电 压 与电 压 给 定 间 的 误 差 ， 调 节 电 感 电 流 的 大 小 ， 以 达到 控 制 输 出 电 压 的 目 的 。 电 压 控 制 电 路 的 输 出 信号 是 平 稳 的 直 流 信 号 ， 用 乘 法 器 将 该 信 号 同 正 弦绝 对 值 信 号 相 乘 ， 得 到 幅 值 跟 随 电 压 控 制 电 路 输出 变 化 的 正 弦 绝 对 值 信 号 ， 作 为 电 流 跟 踪 环 的 给定 信 号 。 L S电 流跟 踪控 制 iLVD1 VD3VD2 VD4 VD5+- 电 压控 制 +- 电

18、压给 定 有 源 PFC电 路 中 常 用 的 电 流 跟 踪 控 制 方 法 ： 平 均 电 流 控 制 适 用 于 功 率 为 500W-3kW的 PFC电 路 。 峰 值 电 流 控 制 适 用 于 功 率 小 于 500W的 PFC电 路 。 开 关 电 源 中 采 用 有 源 PFC电 路 的 好 处 ： （ 1） 输 入 功 率 因 数 提 高 ， 输 入 谐 波 电 流 减 小 ， 降 低 了电 源 对 电 网 的 干 扰 。 （ 2） 在 输 入 相 同 有 功 功 率 的 条 件 下 ， 输 入 电 流 有 效 值明 显 减 小 ， 降 低 了 对 线 路 、 开 关 、 连

19、 接 件 等 电 流 容 量的 要 求 。 （ 3） 由 于 有 升 压 斩 波 电 路 ， 电 源 允 许 的 输 入 电 压 范 围扩 大 ， 通 常 可 以 达 到 90-270V， 能 适 应 世 界 各 国 不 同 的电 网 电 压 ， 极 大 的 提 高 电 源 装 置 的 可 靠 性 和 灵 活 性 。 （ 4） 由 于 升 压 斩 波 电 路 的 稳 压 作 用 ， 整 流 电 路 输 出 电压 是 稳 定 的 ， 使 后 级 DC-DC变 换 电 路 的 工 作 点 保 持 稳 定 ，有 利 于 提 高 控 制 精 度 和 效 率 。 不 利 影 响 ： 增 加 功 率 因

20、数 校 正 电 路 会 使 电 源 总 效 率 下降 3%-5%。 二 、 主 电 路 参 数 计 算 单 相 功 率 因 数 校 正 电 路 的 输 入 电 压 和 电 流 都 是 正 弦波 ， 因 此 有 tUu ii 1sin tIi ii 1sin Ui :输 入 电 压 的 幅 值Ii :输 入 电 流 的 幅 值 1:电 源 电 压 的 角 频 率 在 忽 略 各 种 损 耗 的 条 件 下 ， 电 路 的 输 出 功 率 与输 入 功 率 应 相 等 ， 则 有 由 于 输 入 电 压 和 电 流 都 是 正 弦 值 ， 因 此 有 电 感 电 流 是 输 入 点 流 经 全 波

21、 整 流 后 的 波 形 ， 因此 有 RUIU oiRiR 2 22 iiRiiR IIUU tIi iL 1sin UiR、 IiR:输 入 电 压 、 电 流 有 效 值 Uo:输 出 电 压 R:负 载 电 阻 根 据 电 路 的 状 态 空 间 平 均 模 型 ， 有 PFC电 路 中 D和 D 都 是 时 变 量 ， 因 此 用 D(t)和D (t)表 示 通 常 K很 小 ， K 0.01， 因 此 ， 忽 略 式 中 第 2项 tKtUUtD oi 11 cossin tUUtD oi 1sin K= 1LIi/Ui oiL UtDudtdiL D =1-D,D为 占 空 比

22、开 关 电 流 的 表 达 式 开 关 电 流 的 周 期 平 均 值 为 开 关 电 流 的 周 期 有 效 值 为 sss sssi TkDTkTt DTkTkTttI 1,0 ,sini 1s LLSA iDDii 1 LLSR iDiDi 1 Ts=T1/N 而 开 关 电 流 在 输 入 电 压 周 期 内 的 有 效 值 为 令 Ts 0， N ， 上 式 变 成 10 12211 10 0 210 21 sin1 11 1Nk S Nk T ST SSR tIkTDT dtiTdtiTI S oiT oi TTS UUI tdttUUTI tdttDTItdttDTII 321

23、sinsin1 sin1sin1 0 121121 0 121210 121211 11 三 、 单 相 功 率 因 数 校 正 电 路 的 控 制 电 路 单 相 PFC电 路 中 常 用 控 制 芯 片 UC3854 UC3854是 专 用 控 制 集 成 电 路 ， 它 集 成 了 PFC电路 控 制 所 需 的 电 压 控 制 、 平 均 电 流 跟 踪 控 制 、乘 法 器 、 驱 动 、 保 护 、 和 基 准 源 等 全 部 电 路 ，使 用 方 便 。 其 主 要 特 点 和 技 术 参 数 为 ： 电 源 电 压 ： 18 35V 工 作 频 率 ： 10 200kHz 基

24、准 源 电 压 ： 7.5V 驱 动 电 流 ： 0.5A（ 平 均 值 ） ， 1.5A（ 峰 值 ） 该 芯 片 的 内 部 结 构 及 构 成 的 典 型 电 路 如 图 9-7。 图 （ 9-7） VA及 外 部 元 件 构 成 PI型 电 压 控 制 电 路 ， 正 弦 绝 对 值参 考 信 号 来 自 主 电 路 中 整 流 输 出 端 ， 通 过 IAC引 脚 送入 乘 法 器 ， 乘 法 器 将 电 压 控 制 器 的 输 出 信 号 （ VA Out） 与 正 弦 绝 对 值 参 考 信 号 （ IAC） 相 乘 ， 作 为 电流 跟 踪 控 制 器 CA的 给 定 。 为

25、了 提 高 电 压 控 制 的 快 速性 ， 乘 法 器 还 将 电 流 给 定 信 号 除 以 输 入 电 压 有 效 值的 二 次 方 ， 这 样 当 输 入 电 压 发 生 变 化 时 ， 电 流 给 定随 之 变 化 ， 无 需 经 电 压 控 制 器 调 节 ， 这 称 为 前 馈 控制 。 例 如 ， 在 后 级 功 率 保 持 恒 定 的 条 件 下 ， 输 入 电压 突 然 变 高 ， PFC级 的 输 入 电 流 应 相 应 减 小 ， 以 保持 输 入 功 率 同 输 出 功 率 的 平 衡 。 如 果 没 有 前 馈 控 制 ，这 一 调 节 过 程 将 由 调 节 速

26、度 较 慢 的 电 压 控 制 器 完 成 ，并 由 于 调 节 控 制 暂 时 的 功 率 不 平 衡 导 致 输 出 电 压 的较 大 幅 度 波 动 ， 而 通 过 前 馈 控 制 ， 这 一 调 节 过 程 可以 在 瞬 时 完 成 ， 减 少 了 输 出 电 压 的 波 动 。 主 电 路 中 的 电 流 采 用 0.25 电 阻 检 测 ， CA及其 外 部 电 路 构 成 PI型 电 流 控 制 器 ， 该 控 制 器输 出 的 控 制 量 经 锯 齿 波 比 较 电 路 后 形 成 PWM信号 ， 由 驱 动 电 路 输 出 ， 驱 动 主 电 路 中 的 开 关器 件 。 9

27、.4 三 相 功 率 因 数 校 正 电 路一 、 三 相 单 开 关 功 率 因 数 校 正 电 路 三 相 单 开 关 功 率 因 数 校 正 电 路 如 图 9-8所 示 。 图 （ 9-8）VD1 VD6VD4LC VD2 VD5VD3LALBBCA S CVD7 +- 该 电 路 是 工 作 在 电 流 不 连 续 模 式 时 的 升 压 型 斩波 电 路 。 连 接 三 相 输 入 的 三 个 电 感 LA LC的 电 流 在 每 个开 关 周 期 内 都 不 连 续 ， 电 路 中 的 二 极 管 都 应 采用 快 速 恢 复 二 极 管 ， 电 路 的 输 出 电 压 应 高

28、于 输入 线 电 压 间 电 压 峰 值 方 能 正 常 工 作 。 该 电 路 工作 时 的 原 理 性 波 形 如 图 9-9。 图 （ 9-9）iAiBiC ttiS00 iA Ton t0IAP S开 通 电 感 电 流 均 值 从 零 开 始 线 性 上 升（ 正 向 或 负 向 ） ， 直 到 开 关 S关 断 三 相 电感 电 流 通 过 VD7向 负 载 侧 流 动 ， 迅 速 下 降 到 零 在 每 一 个 开 关 周 期 中 ， 电 感 电 流 是 三 角 形 或接 近 三 角 形 的 电 流 脉 冲 。 以 iLA为 例 说 明 在 输 入 电 源 周 期 内 ， 线 电

29、流 的 波 形 。 当 S导 通 期 间 ， iLA线 性 上 升 ； 当 S关 断 时 ，达 到 峰 值 IAP。 假 设 开 关 频 率 较 高 ， 在 一 个 开 关 周 期 内 ，A相 输 入 电 压 UA变 化 很 小 ， 变 化 量 可 以 忽 略 ，则 可 得 到 I AP的 表 达 式 为 onAAAP TLuI 假 设 开 关 频 率 较 高 ， 在 一 个 开 关 周 期 内 ， A相 输 入电 压 UA变 化 很 小 ， 变 化 量 可 以 忽 略 ， 则 可 得 到 IAP的表 达 式 为 图 中 阴 影 部 分 面 积 为 假 设 S关 断 后 电 流 iA下 降 很

30、 快 ， 则 图 中 非 阴 影 部 分的 面 积 很 小 ， 可 以 忽 略 。 这 样 ， 在 这 一 开 关 周 期内 电 流 i A的 平 均 值 近 似 为 onAAAP TLuI onAAonAPA TLuTIS 22121 TTLuTSi onAAAA 221 AiAi LA、 T为 常 数 ， 如 果 在 输 入 电 源 周 期 内 ， Ton保 持 不 变 ， 则 开 关 周 期 平 均 值 的 波 形 跟 随 输 入电 源 电 压 uA的 波 形 ， 因 此 的 波 形 是 正 弦 波 。 在 分 析 中 略 去 了 图 9-9b中 非 阴 影 部 分 的 电 流 ， 因

31、此实 际 的 波 形 同 正 弦 波 比 有 些 畸 变 。 可 以 想 象 ， 如果 输 出 直 流 电 压 很 高 ， 则 开 关 S关 断 后 电 流 下 降 快 ，被 略 去 的 电 流 面 积 就 很 小 ， 则 的 波 形 同 正 弦 波 的近 似 程 度 高 ， 其 波 形 畸 变 小 。 因 此 ， 对 于 三 相 380V输 入 的 单 开 关 PFC电 路 ， 其 输 出 电 压 通 常 选 择 为 800V以 上 ， 其 输 入 功 率 因 数 可 达 0.98以 上 ， 输 入 电 流 谐波 含 量 小 于 20%， 完 全 可 以 满 足 现 行 谐 波 标 准 的

32、要 求 。 由 于 该 电 路 工 作 于 电 流 断 续 模 式 ， 电 路 中 电 流 峰 值高 ， 开 关 器 件 的 通 态 损 耗 和 开 关 损 耗 都 很 大 ， 因 此适 用 于 3-6kW的 中 小 功 率 电 源 中 。Ai Ai 二 、 三 相 6单 开 关 PFC电 路 三 相 6单 开 关 PFC电 路 通 常 被 称 之 为 三 相 PWM整 流 电路 或 单 位 功 率 因 数 变 流 电 路 。 该 电 路 结 构 如 图 9-10所 示 这 一 电 路 中 ， 同 相 上 下 两 个 开 关 的 通 、 断 互 补 ， 并留 有 死 区 。 L A的 电 流

33、可 由 开 关 S1、 S2的 通 断 控 制 ，因 此 通 过 适 当 地 调 制 S1、 S2的 占 空 比 ， 就 可 以 使 A相电 流 跟 踪 A相 电 压 。 同 样 ， B、 C相 的 电 流 也 跟 踪 B、C相 电 压 ， 这 样 就 实 现 了 功 率 校 正 。图 （ 9-10）LCLALBBCA S1 CS2 S3S4 S5S6 +- 该 电 路 仍 属 于 升 压 型 电 路 ， 所 以 输 出 电 压 应高 于 输 入 线 电 压 峰 值 。 采 用 这 一 电 路 ， 输 入电 流 谐 波 含 量 可 以 降 低 至 5%以 下 ， 功 率 因 数可 高 于 0.

34、995， 可 以 满 足 未 来 最 严 格 的 谐 波 标准 的 要 求 。 特 点 ： 性 能 优 越 ， 但 所 需 开 关 数 量 较 多 ， 控制 复 杂 ， 电 路 成 本 高 。 适 用 于 容 量 为 5-10kW的 大 功 率 电 源 ， 或 对 谐 波 及 功 率 因 数 要 求 非常 苛 刻 的 电 源 中 。 9.5 软 开 关 PFC技 术 PFC电 路 虽 然 解 决 了 输 入 电 流 谐 波 和 功 率 因 数的 问 题 ， 但 降 低 了 电 源 的 总 效 率 。 PFC电 路 的 损 耗 中 很 大 一 部 分 是 开 关 器 件 的 开关 损 耗 ， 因

35、 此 出 现 了 采 用 软 开 关 技 术 的 PFC电路 ， 这 些 电 路 成 功 地 降 低 了 开 关 损 耗 ， 提 高了 PFC电 路 的 效 率 。 一 、 单 相 ZVT PWM软 开 关 PFC电 路 电 路 的 结 构 图 如 图 9-11 该 电 路 中 S 1、 Lr、 VD6等 构 成 辅 助 谐 振 网 络 ， 使主 开 关 S工 作 在 零 电 压 开 通 的 条 件 下 ， 显 著 减 小 了 开关 损 耗 。 采 用 该 技 术 可 以 使 单 相 PFC电 路 的 效 率 由 硬 开 关 方 式的 95%提 高 到 98%。VD1 VD4VD2 VD3 S

36、 CVD5LrL Cr S1VD6 -+图 （ 9-11） 二 、 三 相 单 开 关 ZCT PWM软 开 关 PFC电 路 电 路 结 构 如 图 9-12 该 电 路 中 S1、 Lr、 Cr等 元 器 件 构 成 辅 助 谐 振 电路 ， 使 主 开 关 S工 作 在 零 电 流 关 断 的 条 件 下 。 由 于 三 相 单 开 关 PFC电 路 中 主 开 关 器 件 关 断 电流 峰 值 很 高 ， 承 受 的 电 压 也 很 高 ， 主 开 关 常采 用 IGBT， 因 此 关 断 损 耗 通 常 较 大 ， 采 用 零电 流 关 断 技 术 后 ， 电 路 效 率 会 明 显

37、 提 高 ， 可达 95%-97%。 VD1 VD6VD4LCVD2 VD5VD3LALBBCA S CVD7 +-S1Lr Cr图 （ 9-12） 9.6 单 级 功 率 因 数 校 正 技 术 基 于 升 压 型 电 路 的 有 源 功 率 因 数 校 正 技 术 具有 输 入 电 流 畸 变 率 低 、 输 出 直 流 电 压 较 低 等特 点 。 若 电 路 工 作 在 电 流 连 续 模 式 ， 则 开 关器 件 的 峰 值 电 流 较 低 。 与 常 规 的 开 关 电 源 相比 ， 采 用 上 述 结 构 的 含 有 功 率 因 数 校 正 功 能的 电 源 ， 由 于 增 加

38、了 一 级 变 换 电 路 ， 主 电 路及 控 制 电 路 结 构 较 为 复 杂 ， 使 电 源 的 成 本 和体 积 增 加 。 因 此 ， 单 级 PFC技 术 应 运 而 生 。 单 级 PFC变 换 器 拓 扑 是 将 功 率 因 数 校 正 电 路 的开 关 器 件 与 后 级 DC-DC变 换 器 中 的 开 关 器 件 合并 和 复 用 ， 将 两 部 分 电 路 合 而 为 一 。 单 级 变 换 器 的 优 点 ： （ 1） 开 关 器 件 数 减 少 ， 主 电 路 体 积 及 成 本 可降 低 。 （ 2） 控 制 电 路 通 常 只 有 一 个 输 出 电 压 控

39、制 环 ，简 化 了 控 制 电 路 。 （ 3） 有 些 单 级 变 换 器 拓 扑 中 部 分 输 入 能 量 可以 直 接 传 递 到 输 出 侧 ， 不 经 过 两 级 变 换 ， 效率 可 能 高 于 两 级 变 换 器 。 单 级 PFC变 换 器 在 小 功 率 电 源 中 的 优 势 较 为 明显 。 一 、 单 相 单 级 PFC变 换 器 单 级 PFC装 置 的 主 要 性 能 指 标 ： 效 率 、 元 器 件 数 量 、 元 器 件 电 压 电 流 应 力 、 输 入 电流 畸 变 率 等 。 单 级 PFC变 换 器 电 路 拓 扑 根 据 不 同 标 准 可 以

40、有不 同 分 法 ： 按 开 关 数 量 ： 单 开 关 单 级 PFC变 换 器 、 多 开 关 单 级PFC变 换 器 。 按 电 路 形 式 ： PFC部 分 为 升 压 型 、 降 压 型 、 升 降 压型 ， DC-DC变 换 为 正 激 型 、 反 激 型 等 。 按 两 部 分 的 工 作 方 式 ： DCM+CCM、 DCM+DCM、CCM+CCM。 由 于 升 压 型 电 路 的 峰 值 电 流 很 小 ， 目 前 应 用 的 主 要方 案 为 单 开 关 升 压 型 PFC电 路 ， DC-DC部 分 为 单 开 关正 激 型 或 反 激 型 电 路 ， 只 有 一 个 输

41、 出 电 压 控 制 闭 环 。 两 种 基 本 的 单 开 关 升 压 型 单 级 PFC变 换 电 路 如 图 9-13 基 本 工 作 原 理 ： 开 关 在 一 个 开 关 周 期 中 按 照 一 定 的占 空 比 导 通 。 开 关 导 通 时 ， 输 入 电 源 通 过 开 关 给 定升 压 型 电 路 中 的 电 感 L 1储 能 ， 同 时 中 间 直 流 电 容 C1通过 开 关 给 反 激 变 换 器 储 能 ； 开 关 关 断 期 间 ， 输 入 电源 与 L1一 起 给 C1充 电 ， 反 激 变 压 器 同 时 向 二 次 电 路 释放 能 量 。 L1-+ C1 图

42、 （ 9-11） L1 C1 开 关 的 占 空 比 由 输 出 电 压 调 节 器 决 定 。 在 输入 电 压 及 负 载 一 定 的 情 况 下 ， 中 间 直 流 侧 电容 电 压 在 工 作 过 程 基 本 保 持 不 变 ， 开 关 的 占空 比 也 基 本 保 持 一 致 。 输 入 功 率 中 的 100Hz波 动 由 中 间 直 流 电 容 进 行平 滑 滤 波 。 由 于 只 有 一 个 输 出 电 压 控 制 环 ， 中 间 直 流 电容 电 压 及 输 入 电 流 不 直 接 受 控 制 ， 所 以 变 换器 的 工 作 方 式 必 须 保 证 输 入 电 流 波 形

43、自 动 跟随 电 源 电 压 波 形 ， 以 获 得 较 高 的 功 率 因 数 ，而 且 直 流 侧 电 压 保 持 在 合 理 的 范 围 内 。 PFC及 DC-DC部 分 在 不 同 工 作 方 式 下 ， 变 换 器 的 工 作特 点 如 下 ：1） DCM+CCM方 式 如 果 DC-DC部 分 工 作 在 CCM方 式 ， 占 空 比 将 不 随 负 载变 化 。 当 负 载 变 轻 时 ， 输 出 功 率 减 小 。 但 是 由 于 DC-DC部 分 工 作 在 DCM方 式 ， 因 此 占 空 比 不 会 立 即 变 化 ，这 样 输 入 功 率 仍 然 保 持 重 载 时

44、的 情 况 ， 这 样 在 输 入和 输 出 间 就 存 在 功 率 不 平 衡 问 题 。 不 平 衡 的 这 部 分 功 率 必 须 储 存 在 电 容 上 ， 造 成 了 直流 母 线 上 电 压 的 升 高 ， 占 空 比 随 之 减 小 。 也 就 是 说 ，输 入 功 率 也 随 之 减 小 。 这 个 动 态 过 程 一 直 到 输 入 功率 等 于 输 出 功 率 才 会 停 止 ， 这 样 达 到 了 新 的 功 率 平衡 。 工 作 于 这 种 方 式 下 ， 轻 载 时 ， 通 用 输 入 电 源 （ 85-240V） 的 直 流 侧 电 压 ， 会 高 达 1000V。

45、 可 以 采 用 变 频控 制 来 降 低 直 流 电 压 ， 当 负 载 变 小 时 ， 可 以 增 大 开关 频 率 来 达 到 变 频 控 制 的 效 果 。 但 为 了 降 低 直 流 电压 ， 必 须 有 很 宽 的 开 关 频 率 变 化 范 围 ， 造 成 电 感 和滤 波 器 等 电 路 元 件 设 计 十 分 困 难 。2） DCM+DCM方 式 如 果 两 部 分 都 工 作 在 DCM方 式 ， 当 负 载 变 小 时 ， 占 空比 减 小 。 随 着 占 空 比 的 减 小 ， 输 出 功 率 减 小 。 因 此 ，不 存 在 输 入 功 率 和 输 出 功 率 的 不

46、 平 衡 问 题 。 两 部 分 都 工 作 在 DCM方 式 时 ， 负 载 变 小 不 会 使 直 流 电压 过 高 。 但 是 使 开 关 峰 值 电 流 增 大 ， 存 在 较 高 的 导通 损 耗 ， 会 降 低 系 统 的 效 率 ， 而 且 增 加 了 滤 波 器 的体 积 。 3） CCM+CCM方 式 如 果 两 部 分 都 工 作 在 CCM方 式 ， 输 入 功 率 和 输出 功 率 会 自 动 达 到 平 衡 状 态 。 当 负 载 变 小 时 ，占 空 比 基 本 保 持 不 变 。 输 入 功 率 的 大 小 会 随着 负 载 的 大 小 变 化 。 轻 载 时 ，

47、 不 会 造 成 很 高的 直 流 电 压 。 如 果 没 有 输 入 电 流 控 制 环 ， 输 入 电 流 波 形 很难 跟 随 电 源 电 压 成 为 正 弦 波 。 单 级 PFC变 换 器 现 阶 段 存 在 的 问 题 ： 开 关 器 件 上 电 压 应 力 过 大 ， 电 容 上 电 压 过 高 ， 输 入 电 流 畸变 较 大 ， 开 关 峰 值 电 流 较 大 ， 整 个 装 置 效 率 较 低 等 。 为 保 证 直 流 侧 电 压 不 随 负 载 变 化 而 波 动 ， DC-DC变 换部 分 一 般 均 工 作 于 DCM方 式 ， 直 流 侧 的 工 作 电 压 若

48、不采 取 特 殊 措 施 ， 通 常 会 超 过 400V（ 输 入 为 220V时 ） 。 为 降 低 对 电 容 耐 压 要 求 及 开 关 器 件 的 电 压 应 力 ， 可采 用 的 主 要 方 案 有 ： 1） 直 流 侧 电 压 反 馈 方 案 当 开 关 闭 合 时 ， 在 输 入 回 路 中 串 联 与 直 流 侧 电压 成 比 例 的 电 压 源 以 减 小 输 出 电 感 上 的 电 压 ， 从 而减 小 电 感 从 输 入 端 吸 收 的 能 量 ， 来 达 到 降 低 直 流 电压 的 目 的 。 如 图 9-14所 示 是 一 个 采 用 直 流 电 压 反 馈 的

49、单级 单 开 关 AC-DC变 换 器 开 关 导 通 绕 组 W 1的 电 压 为 电 容 C1两 端 电 压 反 馈 绕 组 W2产 生 极 性 与 输 入 相 反 的 电 压 反 馈 。 电 感 上 的 充 电 电 压 等 于 输 入 电 感 减 去 反 馈 电压 输 入 电 感 吸 收 的 能 量 也 将 减 少 。图 （ 9-14）-+ L1 C1W1W2 W3-+i1 优 点 ： 轻 载 时 ， 反 馈 有 助 于 减 小 直 流 侧 的 电压 应 力 。 另 外 ， 反 馈 绕 组 可 以 减 小 开 关 的 电流 应 力 ， 而 且 把 一 部 分 输 入 功 率 不 通 过

50、中 间储 能 电 容 而 直 接 给 负 载 。 所 以 ， 这 种 变 换 器可 以 达 到 比 较 高 的 效 率 。 该 电 路 的 工 作 波 形 如 图 9-15 tu0 ti10 112 CuNN图 （ 9-15） 线 电 压 在 过 零 点 附 近 没 有 输 入 电 流 。 原 因 ：反 馈 电 压 高 于 输 入 电 压 ， 所 以 电 流 畸 变 率 有所 增 加 ， 反 馈 电 压 越 高 ， 畸 变 率 越 高 。 如 果 N2=N1， 这 个 电 路 将 没 有 功 率 因 数 校 正 功能 。 变 换 器 将 变 为 一 个 普 通 的 AC-DC变 换 器 。而

51、且 ， 主 开 关 只 流 过 DC-DC变 换 器 的 电 流 ， 因此 有 最 小 的 电 流 应 力 。 其 它 类 型 的 直 流 反 馈 方 案 如 图 9-16u1-+ L1 N1 N3C1 -+N2i1 图 （ 9-16） u1-+ L1 N1 N3C1 -+N2i1 N4u 1-+ L1 N1 N3C1 +N2i1 - u1-+ L1i1 N1 N3N2 C1 +- 2） 输 入 电 感 耦 合 方 案 采 用 输 入 电 感 耦 合 方 案 典 型 电 路 为 图 9-17所 示 的 反激 式 变 换 器 。 变 换 器 包 含 两 个 反 激 型 电 路 ： 第 一 个 P

52、FC反 激 型 电 路包 含 变 压 器 T 1、 二 极 管 VD1、 输 出 滤 波 电 容 Co和 开 关器 件 S(功 率 MOSFET)； 第 二 个 DC-DC变 换 器 反 激 型 电路 由 变 压 器 T2、 二 极 管 VD2、 中 间 直 流 侧 电 容 C1、 输出 滤 波 电 容 Co和 开 关 器 件 S(功 率 MOSFET)组 成 。C1T2-+i1 T1 VD1 VD2 uoco -+S图 （ 9-17） PFC环 节 的 第 一 个 反 激 型 变 换 器 工 作 在 DCM方 式 ， 可 以 获得 比 较 高 的 功 率 因 数 。 DC-DC变 换 器 可

53、 以 工 作 在 CCM方 式 ，不 但 减 小 了 电 流 应 力 ， 而 且 达 到 了 较 好 的 电 压 调 节 效 果 。 对 于 通 用 电 压 输 入 的 应 用 场 合 ， 这 个 电 路 拓 扑 可 以把 中 间 级 的 母 线 电 压 限 制 在 DC400V,而 且 可 以 达 到 较 高的 功 率 因 数 和 效 率 。 第 二 个 反 激 型 电 路 的 工 作 情 况 和 普 通 的 DC-DC反 激 型 电路 相 似 。 反 激 型 电 路 的 变 压 器 T1有 两 个 放 电 回 路 。 当 输 入 电 压 较 低 时 ， 在 开 关 器 件 关 断 期 间

54、， T 1上 的能 量 将 通 过 VD1向 负 载 释 放 ， 称 为 反 激 方 式 。 当 输 入 电 压 较 高 时 ， 在 开 关 器 件 关 断 期 间 ， VD1不导 通 ， T1像 一 个 升 压 电 感 ， 通 过 T2的 一 次 绕 组 把 它 上 面的 磁 能 释 放 给 中 间 电 容 ， 这 种 方 式 称 为 升 压 方 式 。 通 过 给 PFC电 感 增 加 了 一 个 放 电 回 路 ， 该 电 路 具 有 以下 优 点 ： （ 1） 限 制 了 中 间 直 流 侧 的 最 高 电 压 只 有 当 输 入 电 压 较 高 ， T2工 作 在 升 压 方 式 时

55、 ，输 入 电 压 才 会 给 中 间 电 容 充 电 。 中 间 电 容 的 电 压 越高 ， 充 电 功 率 越 小 。 适 当 选 择 变 压 器 的 电 压 比 ， 可 以 使 中 间 直 流 侧的 最 大 电 压 稍 微 高 于 输 入 电 压 的 峰 值 ， 从 而 达 到 较低 的 电 压 应 力 和 较 高 的 功 率 因 数 。 对 于 通 用 输 入 的 场 合 ， 中 间 直 流 侧 的 最 大 电 压可 以 控 制 在 400V左 右 ， 在 电 路 中 可 以 采 用 一 个 450V的 电 容 。 因 为 直 流 侧 最 大 电 压 得 到 限 制 ， 所 以 DC

56、-DC变 换 器 单 元 工 作 在 CCM方 式 时 电 流 应 力 较 小 ， 而 且 对于 单 级 PFC变 换 器 轻 载 时 不 存 在 电 压 应 力 过 高 的 问 题 。 （ 2） 部 分 过 载 功 率 可 直 接 传 递 至 输 出 在 反 激 方 式 ， 所 有 的 输 入 功 率 直 接 通 过T1传 给 负 载 。 在 升 压 方 式 ， 一 部 分 输 入 功 率 直 接 通 过T2传 给 负 载 。 一 部 分 输 入 功 率 先 储 存 在 中 间电 容 里 ， 然 后 再 通 过 DC-DC单 元 释 放 给 负 载 。 通 过 开 关 传 输 的 总 功 率

57、 比 一 般 的 单 级 PFC变 换 器 少 。 这 样 可 减 少 功 率 器 件 的 电 流 应 力 ，而 且 可 以 提 高 整 个 装 置 的 效 率 。 二 、 三 相 单 级 PFC变 换 器 实 现 三 相 单 级 PFC变 换 器 的 一 种 方 法 ： 采 用 三组 单 级 PFC变 换 器 。 特 点 ： 每 个 变 换 器 均 采 用 单 相 单 级 PFC变 换 器的 方 案 ， 可 实 现 模 块 化 。 缺 点 ： 整 个 电 路 和控 制 电 路 都 比 较 复 杂 （ 电 力 电 子 器 件 和 滤 波元 件 数 量 多 ， 每 个 变 换 器 都 得 有 单

58、 独 的 控 制电 路 ） ， 实 现 难 度 较 高 。 目 前 主 要 的 三 相 单 级 PFC电 路 可 划 分 为 以 下 三类 ： 升 压 型 降 压 型 升 降 压 型 1、 升 压 型 变 换 器 升 压 型 电 路 通 常 是 将 单 开 关 PFC电 路 中 的 开 关管 由 DC-DC部 分 的 开 关 来 替 代 ， 实 现 PFC原 理基 本 相 同 。 结 构 ： 通 常 由 三 相 输 入 电 感 、 二 极 管 整 流 桥 、直 流 滤 波 电 容 及 DC-DC变 换 器 组 成 。 开 关 数 目一 般 为 4-6个 。 优 点 开 关 较 少 。 缺 点

59、输 入 电 流 处 于 DCM状 态 ， 电 流 峰 值 较 大 ， EMI较 严重 。 直 流 侧 电 压 较 高 。 通 常 会 达 到 输 入 相 电 压 峰 值 的2.5-3倍 以 上 。 几 种 典 型 的 升 压 型 单 级 PFC变 换 器 结 构 如 图9-18a. 采 用 三 电 平 逆 变 电 路 结 构 。 该 结 构 降 低 了 开关 所 承 受 的 电 压 。 当 S 1与 S2或 S3与 S4导 通 时 ，电 感 储 能 ， 使 输 入 电 流 峰 值 正 比 于 电 源 电 压 。图 （ 9-18） +-S1S2S3S4 +- b. 采 用 了 两 个 双 开 关

60、 正 激 型 电 路 ， 当 S 2或 S3导 通时 ， 分 别 实 现 电 源 正 、 负 半 周 电 流 波 形 的 校正 。 S1S2S3 S4+-+- c. 采 用 DC-DC变 换 电 路 中 桥 臂 直 通 实 现 单 开 关PFC电 路 中 开 关 管 的 作 用 。 通 过 SC与 S1 S4的 配合 控 制 ， 可 以 实 现 所 有 开 关 管 及 二 极 管 均 为零 电 压 开 通 。 以 上 电 路 均 可 采 用 分 时 复 用 结 构 ， 以 改 善 输入 电 流 纹 波 。 S2S3S1+-Sc S4 2、 降 压 型 单 级 PFC变 换 器 降 压 型 单

61、级 PFC变 换 器 输 入 整 流 桥 通 常 由 全 控 型 开 关器 件 组 成 ， 因 此 电 路 所 用 开 关 器 件 较 多 ， 通 常 大 于 6。 输 入 电 流 一 般 为 断 续 ， 因 此 通 常 在 电 源 侧 还 需 设 置 LC滤 波 器 ， 也 可 以 用 分 时 复 用 结 构 改 善 输 入 电 流 的 纹 波 。 特 点 ： 直 流 侧 电 压 较 低 ， 可 以 限 制 启 动 电 流 和 直 流 短路 电 流 。 图 9-19a为 较 早 提 出 的 基 于 矩 阵 式 变 换 器 的 降 压 型 变换 器 ， 其 整 流 桥 的 开 关 均 为 双

62、向 开 关 ， 如 图 9-19b 图 （ 9-19）(a) (b) 3、 升 压 型 单 级 PFC变 换 器 升 压 型 单 级 PFC变 换 器 输 入 整 流 桥 通 常 由 全 控型 开 关 器 件 组 成 ， 因 此 电 路 所 用 开 关 器 件 较多 ， 通 常 大 于 等 于 6。 根 据 电 路 原 型 不 同 ， 电 流 连 续 情 况 也 不 一 样 。 电 路 原 型 为 升 降 压 型 电 路 的 ， 输 入 电 流一 般 断 续 。 通 常 在 电 源 侧 还 需 设 置 LC滤 波 器 。 电 路 原 型 为 Cuk型 电 路 ， 输 入 电 流 可 为 连续

63、。 其 直 流 侧 电 压 较 低 ， 可 以 限 制 启 动 电 流和 直 流 短 路 电 流 。 如 图 9-20为 两 种 常 用 的 升 压 型 单 级 PFC变 换 器结 构 其 原 型 为 升 降 压 型 电 路 ， 输 入 输 出 电 流 为 断 续 ， 若 需 要 隔 离 型 变 换 器 ， 可 以 将 电 路 中 直 流 侧 电 感 更 换 为 反 激 型 电 源 变 压 器 。 其 原 型 为 Cuk型 电 路 ， 输 入 电 流 连 续 ， 开 关 数 量 居 中 ， 是 一 种 较 好 的 电 路 方 案 。 图 （ 9-20）-+ -+ 单 级 PFC电 路 的 特

64、点 ： 减 少 了 主 电 路 的 开 关 器 件 数 量 ， 使 主 电 路 体 积 及成 本 降 低 。 控 制 电 路 通 常 只 有 一 个 输 出 电 压 控 制闭 环 ， 简 化 了 控 制 电 路 。 减 少 了 元 器 件 的 数 量 。 但 是 ， 单 级 PFC变 换 器 元件 的 额 定 值 都 比 较 高 ， 所 以 仅 在 小 功 率 时 整 个 装置 的 成 本 和 体 积 才 具 有 优 势 ， 对 于 大 功 率 场 合 ，两 级 PFC变 换 器 比 较 适 合 。 输 入 电 流 畸 变 率 明 显 高 于 两 级 变 换 器 ， 特 别 是 仅采 用 输 出 电 压 控 制 闭 环 的 升 压 型 变 换 器 。