[討論] PFC的開關電源有這些性能特點,你了解嗎?

okhxyyo 樓主
2021-8-11 10:06

本文主要是關于PFC穩壓開關電源的相關介紹,并著重對PFC穩壓開關電源的作用及性能特點進行了詳盡的闡述。

 

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PFC穩壓開關電源
 

PFC就是功率因數校正的意思,主要用來表征電子產品對電能的利用效率。功率因數越高,說明電能的利用效率越高。

 

PC電源采用傳統的橋式整流、電容濾波電路會使AC輸入電流產生嚴重的波形畸變,向電網注入大量的高次諧波,因此網側的功率因數不高,僅有0.6左右,并對電網和其它電氣設備造成嚴重諧波污染與干擾。早在80年代初,人們已對這類裝置產生的高次諧波電流所造成的危害引起了關注。1982年,國際電工委員會制訂了IEC55-2限制高次諧波的規范(后來的修訂規范是IEC1000-3-2),促使眾多的電力電子技術工作者開始了對諧波濾波和功率因數校正(PFC)技術的研究。電子電源產品中引入PFC電路,就可以大大提高對電能的利用效率。

 

PFC有兩種,一種是無源PFC(也稱被動式PFC),一種是有源PFC(也稱主動式PFC)。無源PFC一般采用電感補償方法使交流輸入的基波電流與電壓之間相位差減小來提高功率因數,但無源PFC的功率因數不是很高,只能達到0.7~0.8;有源PFC由電感電容及電子元器件組成,體積小,可以達到很高的功率因數,但成本要高出無源PFC一些。

 

有源PFC電路中往往采用高集成度的IC,采用有源PFC電路的PC電源,至少具有以下特點:

  1)輸入電壓可以從90V到270V;

  2)高于0.99的線路功率因數,并具有低損耗和高可靠等優點;

  3)IC的PFC還可用作輔助電源,因此在使用有源PFC電路中,往往不需要待機變壓器;

  4)輸出不隨輸入電壓波動變化,因此可獲得高度穩定的輸出電壓;

  5)有源PFC輸出DC電壓紋波很小,且呈100Hz/120Hz(工頻2倍)的正弦波,因此采用有源PFC的電源不需要采用很大容量的濾波電容。

 

在上世紀80年代起,用電器具大量的采用效率高的開關電源,由于開關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略呈鋸齒波的紋波。濾波電容上電壓的最小值遠非為零,與其最大值(紋波峰值)相差并不多。根據整流二極管的單向導電性,只有在AC線路電壓瞬時值高于濾波電容上的電壓時,整流二極管才會因正向偏置而導通,而當AC輸入電壓瞬時值低于濾波電容上的電壓時,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,只是在其峰值附近,二極管才會導通。雖然AC輸入電壓仍大體保持正弦波波形,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份,引起線路功率因數嚴重下降。

 

在正半個周期內(1800),整流二極管的導通角大大的小于1800甚至只有300-700,由于要保證負載功率的要求,在極窄的導通角期間會產生極大的導通電流,使供電電路中的供電電流呈脈沖狀態,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生嚴重的交流電壓的波形畸變(圖3),并產生多次諧波,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2:  

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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,其功率因素補償的含義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展起來的一項新技術(其背景源于開關電源的迅速發展和廣泛應用)。其主要目的是解決因容性負載導致電流波形嚴重畸變而產生的電磁干擾(EMl)和電磁兼容(EMC)問題。所以現代的PFC技術完全不同于過去的功率因數補償技術,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,使系統呈純電阻性技術(線路電流波形校正技術),這就是PFC(功率因數校正)。

 

所以現代的PFC技術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)。這就是現代的功率因數校正(PFC)電路。

 

帶PFC的開關電源作用介紹
 

 

PFC的英文全稱為“Power Factor Correction”,意思是“功率因數校正”,功率因數指的是有效功率與總耗電量(視在功率)之間的關系,也就是有效功率除以總耗電量(視在功率)的比值。基本上功率因素可以衡量電力被有效利用的程度,當功率因素值越大,代表其電力利用率越高。帶PFC的開關電源成本也相對高一些。

 

開關電源是一種電容輸入型電路,其電流和電壓之間的相位差會造成交換功率的損失,此時便需要PFC電路提高功率因數。目前的PFC有兩種,被動式PFC(也稱無源PFC)和主動式PFC(也稱有源式PFC)。

 

被動式PFC一般分“電感補償式”和“填谷電路式(Valley Fill Circuit)”   “電感補償方法”是使交流輸入的基波電流與電壓之間相位差減小來提高功率因數,被動式PFC包括靜音式被動PFC和非靜音式被動PFC。被動式PFC的功率因數只能達到0.7~0.8,它一般在高壓濾波電容附近。

 

“填谷電路式”屬于一種新型無源功率因數校正電路,其特點是利用整流橋后面的填谷電路來大幅度增加整流管的導通角,通過填平谷點,使輸入電流從尖峰脈沖變為接近于正弦波的波形,將功率因數提高到0.9左右,顯著降低總諧波失真。與傳統的電感式無源功率因數校正電路相比,其優點是電路簡單,功率因數補償效果顯著,并且在輸入電路中不需要使用體積大重量沉的大電感器。

 

而主動式PFC則由電感電容及電子元器件組成,體積小、通過專用IC去調整電流的波形,對電流電壓間的相位差進行補償。主動式PFC可以達到較高的功率因數──通常可達98%以上,但成本也相對較高。此外,主動式PFC還可用作輔助電源,因此在使用主動式PFC電路中,往往不需要待機變壓器,而且主動式PFC輸出直流電壓的紋波很小,這種電源不必采用很大容量的濾波電容

 

影響PF的并非是某個元器件,傳統定義的相位差只是一種表現形式,而電容補償又能補償回來,這說明并非電感和電容是罪魁禍首,所以并不是某個元器件的問題,只是把問題放大了,即使在沒有電感和電容的負載里無中生有找到了“原因”,就是半導體整流二極管的諧波問題,再無限放大,所以最后大家都不知道PF是什么了,其實也就是三人成虎罷了,電網需要無功功率的說法已經被打破了,99.9%的PF電源早已誕生,基本也就證明了電網運行并不需要所謂的“無功功率”,必須正視PF的原因才能解決PF的問題,所以無法回答你如何去提高PF值。原理上用電阻(PF=1)去加熱轉換成電能,PF恒定等于1,可見這是轉換的過程,并非負載的原因,當然這個轉換其實也是負載,所以分析問題要實事求是,更需要數據來證明,并不是簡單的推理,無功功率是過去人為增加的定義,事實并沒有證明無功功率的機理和數據,只是把理想值(視在功率)與負載消耗的功率(有功功率)的差值人為定義為無功功率,功率因數相應就產生了,其實是在人為的無功功率基礎上產生的,也就是一種推理。

 

PFC穩壓開關電源的作用和特點
 

 

在PFC開關電源當中,開關穩壓電源是非常重要的一個組成部分。PFC當中的開關穩壓電源功能和普通的開關穩壓電源的區別并不巨大,只是在供電上有所區別。普通的開關穩壓電源需要220V整流供電,而PFC穩壓開關電源是由B+PFC供電。本文就將針對PFC電源進行簡單的介紹。

 

整流以后不加濾波電容器,把未經濾波的脈動正半周電壓作為斬波器的供電源,由于斬波器的一連串的做“開關”工作脈動的正電壓被“斬”成電流波形,其波形的特點是:

 

  1、電流波形是斷續的,其包絡線和電壓波形相同,并且包絡線和電壓波形相位同相。

  2、由于斬波的作用,半波脈動的直流電變成高頻(由斬波頻率決定,約100KHz)“交流”電,該高頻“交流”電要再次經過整流才能被后級PWM開關穩壓電源使用。

 

  3、從外供電總的看該用電系統做到了交流電壓和交流電流同相并且電壓波形和電流波形均符合正弦波形,既解決了功率因素補償問題,也解決電磁兼容(EMC)和電磁干擾(EMI)問題。

 

該高頻“交流”電在經過整流二極管整流并經過濾波變成直流電壓(電源)向后級的PWM開關電源供電。該直流電壓在某些資料上把它稱為:B+PFC(TPW-4211即是如此),在斬波器輸出的B+PFC電壓一般高于原220交流整流濾波后的+300V,其原因是選用高電壓,其電感的線徑小、線路壓降小、濾波電容容量小,且濾波效果好,對后級PWM開關管要求低等諸多好處。

 

目前PFC開關電源部分,起到開關作用的斬波管(K)有兩種工作方式:

  1、連續導通模式(CCM):開關管的工作頻率一定,而導通的占空比(系數)隨被斬波電壓的幅度變化而變化。

  2、不連續導通模式(DCM):斬波開關管的工作頻率隨被斬波電壓的大小變化(每一個開關周期內“開”與“關”時間相等)。

功率因素校正開關電源中的PFC開關電源部分和PWM開關電源部分的激勵部分均由一塊集成電路完成,一塊IC可以完成設計。

 

END
 

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