带有功率因数校正的开关电源输入端电路设计.doc

带有功率因数校正的开关电源输入端电路设计 摘 要：本文介绍了开关电源功率因数校正的基本原理，分析了功率因数校正的电路实现方法及相关要求。简要分析了各类功率因数校正电路的工作原理及主要优缺点 , 还介绍了功率因数校正主回路的设计方法 。 关键词：功率因数；有源功率因数校正；单级计算机等一些通信设备日益普及，被广泛应用于各种不同的领域，其中电网的谐波污染以及输入端功率因数低等问题显得日益突出国内外都制订了限制电流谐波的有关标准，IEC555-2, IEEC519等。采用现代高频功率变换技术的功率因数校正(PFC)技术是解决谐波污染最有效的手段。为了减少谐波对交流电网的污染，这就必须对电源产品如UPS，高频开关整流电源等的输入电路进行功率因数校正，以最大限度减少谐波电流。功率因数校正的目的，就是采用一定的控制方法，使电源的输入电流跟踪输入电压，功率因数接近为1。＝=cos= cos （1） 式中： ：基波因数，即基波电流有效值I1与电网电流有效值IR之比。 IR：电网电流有效值 I1：基波电流有效值 UL：电网电压有效值 cosΦ：基波电流与基波电压的位移因数 在线性电路中，无谐波电流，电网电流有效值IR与基波电流有效值I1相等，基波因数=1，所以PF＝·cosΦ＝1·cosΦ＝cosΦ。 当线性电路且为纯电阻性负载时，PF＝·cosΦ＝1·1＝1。 如果供电系统正弦畸变过大，则会对供电设备、用电设备产生干扰，严重的时候甚至会造成用电设备如开关电源、UPS退出正常工作，也可能造成供电系统跳闸。畸变越小，功率因数则越高。综上所述，只要设法抑制输入电流中的谐波分量，通过电路方法，将输入电流波形校正为或无限接近正弦波，即可实现功率因数校正。 2．2 无功率因数校正的开关电源存在的问题 在传统没有功率因数校正的开关整流器中，交流输入电压，经整流后，紧跟着大电容滤波，由于电容的充放电使输入电流呈脉冲波形。这种电流谐波分量很大，造成功率因数下降。低功率因数开关电源的使用，严重污染了电网，干扰了其它设备，增大了前级设备（如变压器、电缆传输、柴油发电机等）的，使供电系统容量至少要增大30%以上，使用户增加了投资。对于三相四线输入，当三相负载不平衡时，零线电流会很大。从实际运行结果来看，低功率因数的开关电源所带来的危害是很严重的，这是因为输入电流有很高的峰值，含有大量的高次谐波，不但产生严重电磁干扰，还使供电变压器产生大的电磁应力，噪音增大，铁损严重，温升剧增。因此，在整流器设计中，认真设计好功率因数校正电路是至关重要的。PFC）技术有不同分类方法。从电网供电方式可分为单相PFC电路相三相PFC电路；从采用的校正机理看，可分为无源功率因数校正（PPFC）和有源功率因数校正（Active Power Factor Correction，简称APFC）两种。 无源功率因数校正技术（PPFC）出现最早，通常由大容量的电感、电容组成。它只是针对电源的整体负载特性表现交流DC/DC开关变换器，应用电压、电流反馈技术，使输入端电流波形跟踪交流输入正弦电压波形，可以使输入电流接近正弦，从而大大提高功率因数PF，一般校正后PF可提高到0.99或更高。由于这个方案中应用了有源器件，故称为有源功率因数校正（APFC）。基本原理如图所示。 APFC的基本原理框图 从原理框图来看，APFC基本电路就是一种开关电源，但它与传统的开关电源的区别在于：DC/DC变换之前没有滤波电容，电压是全波整流器输出的半波正弦脉动电压，这个正弦半波脉动直流电压和整流器的输出电流与输出的负载电压都受到实时的检测与监控，其控制的结果是达到全波整流器输入功率因数近似为1 。 而有源功率因数校正中，按输入电流的工作模式又可分为CCM模式和DCM模式；按拓扑结构可分为两级和单级APFC有两种工作模式：不连续导通模式DCM(Discontinuous Conduction Mode)和连续导通模式CCM(Continuous Conduction Mode)。一般认为，采用电流连续导通方式可利于实现输入EMI滤波电路小型化，并可使电流应力减小，实现高效率。 3．1．1 DCM控制模式 DCM控制又称电压跟踪方法(Voltage Follower)，它是PFC中简单而实用的一种控制方式。这类变换器工作在不连续导电模式，开关管由输出电压误差信号控制，开关周期为常数。由于峰值电感电流基本上正比于输入电压，因此，输入电流波形跟随输入电压波形变化。 控制原理如图所示： 　　　　　　　　　　 ＤＣＭ控制原理图 该控制方法的优点是: 1) 电路简单，不需要乘法器；2)功率管实现零电流开通