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,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第7章,功率因数校正电路的应用与维修,第7章 功率因数校正器的应用与维修,开关电源以其效率高、功率密度高而在电源领域中占主导地位，但传统的开关电源存在一个致命的弱点：功率因数低，一般为0.450.75左右，而且其无功分量根本上为高次谐波。从1992年起国际上开场以立法的形式限制高次谐波，传统的开关电源亦在在限制之列。为满足IEC1000-3-2?家用电器及类似电气设备发出的谐波电流限制?等标准要求，开关电源中采用功率因数校正技术势在必行。本章主要讲述功率因数校正电路的类型和根本原理，功率因数校正电路的实际应用以及功率因数校正电路的维修。,7.1 功率因数校正的根本原理,7. 1. 1 电流谐波含量与功率因数校正,1. 提高开关电源功率因数的意义,用电设备的功率因数和输入电源的谐波含量都是供电系统和用电部门极为关心的两项技术指标，不管是从保证电力系统的平安经济运行，还是从保护用电设备以及人身平安来看，都必须使用低谐波含量、高功率因数的开关电源，这对各方面来说都是十分必要的。,2.,开关电源输入电流的谐波含量,只有在输入交流电压的峰值附近，整流二极管才会导通，它的导通角大约为60,o,，交流整流滤波电路与输入电压、电流波形如图7-1所示。,图7-1 交流整流滤波电路与输入电压、电流波形,3. 功率因数与电流谐波的关系,非正弦脉冲电流中含有大量的谐波分量，n次谐波电流与基波电流之比称为n次谐波含有率，(n次谐波含量。用n次谐波总的电流有效值与基波电流有效值的百分比表示电流总谐波含量，称为总谐波畸变率THD )，简称总谐波畸变。即,式中In(rma)为n次谐波电流的有效值，有关功率因数PF的表达式为,式中1为基波电流与电压间的相位差，这就是功率因数与THD的关系。,7.1.2 有源功率因数校正的根本原理,功率因数校正(PFC)技术可分为两大类：一类是无源PFC技术；另一类是有源PFC技术。,图7-2 有源功率因数校正根本工作原理图,(a),V,dc,与,I,L,( b),V,i,与,I,i,图7-3 功率因数校正电路输入电压及输入电流波形,7.1.3,有源功率因数校正电路的类型,图7-4 有源功率因数校正电路的主要类型,在开关电源中，以升压型PFC校正电路作为预调整器最为流行。它的主要优点是：,(1) 能有效地抑制输入电源的电流谐波含量，完全可以到达甚至远远低于谐波电流畸变指标要求；,(2) 能将系统功率因数提高到几乎等于1的水平，完全能满足世界各国对功率因数和总谐波含量的技术标准要求；,(3) 能输出低纹波含量的直流电压，能确保开关电源的纹波电压指标；,(4) 能实现电压宽带输入(85265V)，当输入交流输入电压在较大的范围内变动时，可得到稳定的直流电压输出；,(5) 消除了浪涌电压及尖峰电压对电路元件的冲击，提高了开关电源的可靠性和平安性，延长了开关电源的使用寿命。,7.1.4 有源功率因数校正的控制方法,1、峰值电流控制法,峰值电流控制法是检测PFC电路中的开关电流，采用恒定的开关电源工作频率，只有稳定的工作频率才能有效地、快速地测出峰值电流，并将这一电流“削尖、均化来控制开关管，进展PWM调节，使输入电流波形与输入电压保持一致，从而提高功率因数。由于输入电流被“削尖，在电路上对输入电流波形需要进展斜率补偿。,图7-5 峰值电流控制法的有源功率因数校正电路,图7-6 峰值电流控制法的电感电流波形图,2、滞环电流控制法,滞环电流控制法是检测PFC电路中电感上的电流，当电感电流上升到达一定值时，功率开关管开场导通，电感电流下降到一定值时，功率开关管陡然截止，它的控制方式是利用工作频率的改变来控制功率开关管的导通和截止。一般输出滤波电路按最低工作频率考虑，所以，开关电源的体积和重量是最小的，工作损耗较小。,图7-7 滞环电流控制法的有源功率因数校正原理图,图7-8 滞环电流控制法的电感电流波形图 图7-9滞环逻辑控制电路,3、平均电流控制法,平均电流法是开关电源和电子镇流器中有源功率因数校正用得最多的一种方法。总谐波含量THD值小，对噪声不敏感，电感电流峰值与平均值之间的误差小，具有恒定的工作频率，可以任意组成各种控制电路，输出电压可以随便调节。这种方法的缺点是控制电路比较复杂，需要增添电流误差放大器。,图7-10平均电流控制法有源功率因数校正原理图 图7-11平均电流控制法的电感电流波形图,7.2,功率因数校正电路的应用,7. 2. 1,由,KA7524,构成的峰值电流控制电路,图7-12 由KA7524构成的峰值电流控制PFC电路图,图7-13 KA7524内部电路框图,(1) 升压变换电路,升压变换电路也叫升压电感器。升压变换电路中变压器TR的一次绕组Np是PFC调整器的升压电感Lp，起着峰值电流传递和升压的作用。TR的二次绕组 NS 的作用有二：一是作为零电流检测传感器；二是与电阻R4、整流二极管VD5和电容C3 组成电源滤波整流电路，供给KA7524调制器启动电压。因此TR是PFC升压变换电路中的关键元件之一。,图7-14 升压变换电路电感电流,I,p 的波形图,(2) 乘法器电路,在电路中，电阻R1、R2是乘法器取压的分压电阻；R11是电流传感电阻；R12、R13是误差放大器偏置电阻。另外，还有补偿网络的C4 和R7、R8 等，这些都是PFC调整器的重要元件，IC1的3脚是乘法器的电压输入端，该脚输入电压的最大值不得超过2V，电容C2的作用是高频滤波，旁路掉输入局部的尖峰电压。,KA7524乘法器输入电压VMO的大小，由4脚输出的门限电压决定。开关管VT的源极串接电阻R11，用来检测升压变换电路一次绕组Np的电流，峰值电流通过4脚的门限电压来控制。KA7524的乘法器增益K = 0.8，基准电 VREF = 2. 5 V。,(3) 误差放大器,电路中电阻R12、R13是误差放大器的偏置电阻，在保证误差放大器正常工作的前提下，可用来调整输出电压Vo的上下。,IC1 (KA7524)工作在高频时，可以顺利地进展脉冲控制转换，可是在低频下往往对一些低频信号有“丧失的现象，所以在IC1的反相输入端与误差放大器的输出端之间并接有由C4和R7、R8组成的频率补偿网络，用以防止信号“丧失和抑制正升压变换电路的输出电压纹波。电阻R7、R8用于改善负载的瞬态响应，要求R8R13。,(4) 启动电路,启动电路的元件包括R3和C3。升压电感Lp在输入脉动电压的作用下，在二次绕组中感应出电流Is。升压变换电路的二次绕组Ns的两端电压为15V，此电压通过二极管VD5和电容C3整流滤波后，向IC1的8脚提供12V的直流电压。二次侧脉动电压通过R5向IC1提供3mA的控制电流。R5的阻值为22k, VD5选用快速恢复二极管1N4148。R4是限流电阻，其阻值不能太大，否那么会引起损耗，使供给IC1的电流缺乏。启动电阻R3 应保证在最低输入电压VIN(min)下，为IC1 提供足够大的启动电流。,(5) 输入、输出电路,C,1,是PFC电路的输入电容，它的作用是滤除高次谐波，,C,1,选用0.47F/630 V的薄膜电容；电容,C,6,是PFC电路的输出滤波电容，用于滤除脉动交流成分，使输出电压平滑。,C,6,选用47F/450 V的电解电容。,整流二极管VD,1,VD,4,的选用要注意两个问题，第一是二极管的最大电流问题。流入每只二极管的电流为正弦波，选用二极管时，应使其额定电流大于平均工作电流的3倍，即,I,F,3,I,AVE,。第二，二极管的最高反向工作电压,V,RM,是二极管工作电压峰值的2倍，即,V,RM,2,V,IN(max),。VD,1,VD,4,可选用1000V/1 A的硅整流二极管1 N4007。,7.2.2 由UC3854构成的平均电流控制电路,UC3854是美国尤尼特鲁德公司生产的单片集成电路，它是采用固定频率平均电流控制法的PFC控制器，工作于电感电流连续模式。UC3854内部包括电流放大器、高频振荡器、模拟乘法器除法器、电压放大器、过电流比较器、逻辑电路、低压电压检测器、7.5V的电压基准源、MOSFET栅极驱动器、负载赋能比较器和总线预测试器以及整形电路等。,图7-15 UC3854的内部构造框图,图7-16 UC3854的引脚排列图,图7-17 由UC3854构成的PFC电路,7.2.3 由ML4813构成的滞环电流控制电路,ML4813是美国微线公司推出的产品，这种控制器采用16脚的封装排列，片内具有振荡器、误差放大器、电流限制比较器、PWM比较器、过电压比较器、欠电压封锁电路等。,ML4813的1脚和38脚是-0.35.5 V的模拟电压输入端，驱动输出最大峰值电流达1A。启动门限电压为16V1V，关断阈值电压为l0V0.5 V，启动电流为0.8mA，电源工作电流为20mA, IC振荡器的最大充电电流为5mA。该芯片的功能比一般芯片要强。,图7-18 ML4813的内部构造及引脚排列图,图7-19 由ML4813构成的反激式PFC电路,图7-20 反激式PFC输出电压波形图,图7-21 反激式PFC电路电感电流波形图,7.2.4 由FA5331P构成的有源PFC电路,有源PFC控制器FA5331P(M)/FA5332P(M为双极型单片集成电路，它为设计低输入电流谐波含量和高功率因数的预变换器，可提供一切所必需的功能。 FA5332P(M与FA5331P(M比较，在轻负载特性方面有重大改进，属于第二代PFC控制器。,FA5331P(M)/FA5332P(M)采用16脚SOP和DIP封装，其内部构造框图如图7-22 所示。,图7-22 FA5331P(M)/FA5332P(M)内部构造框图,表7-4 FA5331P(M)/FA5332P(M的各引脚功能,引脚号,符号,功能描述,脚号,符号,功能描述,1,IFB,电流误差放大器输出,9,VC,输出电路电源电压,2,IIN-,误差放大器反相输入,10,V,CC,IC电源电压,3,VDET,乘法器输入,11,CS,软启动,4,OVP,过电压保护输入,12,ON/OFF,输出开/关控制输入,5,VFB,电压误差放大器输出,13,REF,参考电压,6,VIN-,误差放大器反相输入,14,SYNC,振荡器同步输入,7,GND,地,15,CT,振荡器定时电容和电阻，,8,OUT,输出,16,IDET,电流误差放大器同相输入,图7-23 由FA5332P构成的升压式APFC电路原理图,7.2.5 由TOPSwitch构成的有源PFC电路,有源功率因数校正APFC技术能够实现各种电源装置电网侧电流正弦化，使电网资源得到充分利用，可根本上消对电网的高次谐波污染，净化电网。单相有源PFC实现方式有多种多样，较为常见的有用UC3854为控制IC的3 kW以下的电路，但该电路较为复杂，外围元件多，特别是小功率的应用时。,1. TOPSwitch在PFC中的应用原理,图7-25 由TOPSwitch构成的升压型APFC电路,2TOPSwitch功率因数校正预调整原理,TOPSwitch采用恒频可变占空比的控制方式。在整个工作过程中，升压电感上的电流是其上的电流和升压二极管电流的代数和IL= IT + ID), TOPSwitch上的电流随着整流后的输入电压呈线性关系，平滑后是正弦电流。可是升压二极管上的电流随着输入电压的升高迅速上升，呈非线性关系，平滑后不是正弦电流。这样叠加的结果使提升电感上的电流就不是正弦。因为升压二极管上的电流不受控，所以要想改善升压电感上电流波形，就只能通过控制IC改善TOPSwitch的电流波形，以补偿升压二极管不是正弦波的缺陷。这个问题是很多无乘法器的控制电路在升压型电路中普遍存在的问题，这些都可以通过预补偿的方式得以改善，改善的关键就是选择适宜的预补偿电阻。,7. 3 功率因数校正电路的维修,1. 功率因数校正电路不工作,2. 总谐波失真(THD)超过10%,3. 功率因数校正电路被关断,4. 电路输出电压达不到380V,1电路不工作、无输出电压,2总谐波失真(THD)超过10%,3功率因数校正电路被关断,思考题,1. 提高开关电源功率因数的意义有哪些？,2. 开关电源为什么会产生较大的电流谐波？,3. 简述有源功率因数校正的根本原理。,4. 有源PFC电路的根本类型和控制方法有哪些？,5. 有源PFC电路的常见故障有哪些？,6. 有源PFC电路的THD超标的原因有哪些？,
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