適配器的功率因數(shù)校正電路

  適配器以其效率高?功率密度高而在電源領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位,但傳統(tǒng)的適配器存在一個(gè)致命的弱點(diǎn):功率因數(shù)低,一般為0.45~0.75,而且其無功分量基本上為高次諧波,其中三次諧波幅度約為基波幅度的95%,五次諧波幅度約為基波幅度的70%,七次諧波幅度約為基波幅度的45%,九次諧波幅度約為基波幅度的25%?高次諧波的危害在很多文獻(xiàn)中已有論述,在此不再贅述?針對高次諧波的危害,從1992年起國際上開始以立法的形式限制高次諧波,傳統(tǒng)的適配器形式在限制之列?國外在此以前即開始改善適配器功率因數(shù)的工作,主要是功率因數(shù)校正電路和諸多的控制IC(如UC3842~UC3855A系列,KA7524,TDA4814等)?國內(nèi)一些廠家也做了類似的工作,使適配器的功率因數(shù)達(dá)0.95~0.99,近似于1?

5.1功率因數(shù)校正電路

  5.1.1功率因數(shù)校正原理

  常規(guī)桌上型電源適配器的功率因數(shù)低的根源是整流電路后的濾波電容使輸出電壓平滑,但卻使輸入電流變?yōu)榧饷}沖(如圖5-1所示),而整流電路后面不加濾波電路,僅為電阻性負(fù)載時(shí),輸入電流即為正弦波,并且與電源電壓同相位,功率因數(shù)為1?于是功率因數(shù)校正電路的基本思想是將整流器與濾波電容隔開,使整流電路由電容性負(fù)載變?yōu)殡娮栊载?fù)載?在功率因數(shù)校正電路中,其隔離型電路如圖5-2所示?其基本原理在已有很多文獻(xiàn)中論述,在此不再贅述?但這種電路結(jié)構(gòu)不能實(shí)現(xiàn)輸入與輸出的電隔離?為此提出單極正弦波輸入電流與電網(wǎng)隔離型適配器?

 圖5-1常規(guī)適配器輸入電壓與輸入電流波形                圖5-2基本隔離型PFC電路

  1.高次諧波及功率因數(shù)校正

一般適配器輸入市電經(jīng)整流后對電容充電,其輸入電流波形為不連續(xù)的脈沖?這種電流除了基波分量外,還含有大量的諧波?其有效值I為：

式中:I1,l2……,I?分別表示輸入電流的基波分量與各次諧波分量

  諧波電流使電力系統(tǒng)的電壓波形發(fā)生畸變,我們將各次諧波有效值與基波有效值的比稱為總諧波畸變THD( Total Harmonic Distortion)?

它用來衡量電網(wǎng)的污染程度?脈沖狀電流使正弦電壓波形發(fā)生畸變,它對自身及同一系統(tǒng)的其他電子設(shè)備產(chǎn)生惡劣的影響,如引起電子設(shè)備的誤操作,使空調(diào)停止工作,引起電話網(wǎng)噪音，引起照明設(shè)備的障礙,造成變電站的電容?扼流圈的過熱?燒損等。

功率因數(shù)定義為PF=有功功率/視在功率,是指被有效利用功率的百分比?沒有被利用的無效功率則在電網(wǎng)與電源設(shè)備之間往返流動(dòng),不僅增加線路損耗,而且成為污染源。

  設(shè)電容輸入型電路的輸入電壓為

輸入電流為:

  則有效功率Pac為:

  而視在功率Pap為:

從式(5-2)?式(5-5)可見,抑制諧波分量即可達(dá)到減小THD?提高功率因數(shù)的目的?因此可以說諧波的抑制電路就是功率因數(shù)校正電路(實(shí)際上有所區(qū)別)?

2. 功率因數(shù)校正電路

     有源功率因數(shù)校正的概念起源于1980年?但被重視和推廣則在20世紀(jì)80年代末期和90年代?由于歐洲各國和日本相繼對適配器裝置的輸入諧波要求制定了標(biāo)準(zhǔn),目前有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn),它們是IEC555-2和IEC1000-3-2,使得研究PFC技術(shù)已成為電源界的熱點(diǎn),綜觀PFC技術(shù)的發(fā)展,PFC技術(shù)可劃分為兩大類:一類是無源PFC技術(shù);另一類是有源PFC技術(shù)?前者采用無源元件來改善輸入功率因數(shù),減小電流諧波以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,其特點(diǎn)是簡單,但體積龐大?笨重,有些場合則無法滿足要求;后者是用一個(gè)變換器串入整流濾波電路與DC/DC變換器之間,通過特殊的控制強(qiáng)迫輸入電流跟隨輸入電壓,反饋輸出電壓使之穩(wěn)定,從而使DC/DC變換器的輸入實(shí)現(xiàn)預(yù)穩(wěn)?這種方法的特點(diǎn)是控制復(fù)雜,但體積大大減小,設(shè)計(jì)也易優(yōu)化而進(jìn)一步提高性能?目前研究較多的是有源PFC技術(shù)?

      有源PFC的研究已有一段時(shí)間,目前較為大家所關(guān)注的是下面兩類:一是兩級(jí)PFC技術(shù),二是單級(jí)PFC技術(shù)?兩級(jí)PFC技術(shù)通常由一個(gè)專門管PFC的前置級(jí)和一個(gè)DC/DC變換器構(gòu)成,而這一前置的功率級(jí)基本上都是 Boost電路?單級(jí)PFC一開始是在兩級(jí)方法簡化的基礎(chǔ)上再另辟途徑進(jìn)行專門研究?