開關電源功率因數(shù)校正器的基本工作原理

  開關電源是目前使用數(shù)量最多的一種電力電子裝置,可主要分為直流開關電源和交流開關電源兩類。直流開關電源的前端一般是由二極管或晶閘管構成的非線性整流器,會產生大量的諧波和無功功率,使得開關電源的功率因數(shù)比較低,同時也對電網(wǎng)形成不良干擾。雖然單臺套開關電源一般功率不是很大，但是由于使用量大面廣,其影響不容忽視。因此,在眾多開關電源中已經(jīng)實施高功率因數(shù)校正( PFC)技實現(xiàn)所謂“綠色電源”。
 
  開關電源的PFC可分為無源PFC( PPFC)和有源PFC( APFC)。APFC一般是在開關電源的整流器后有一級按照平均電流或峰值電流等控制方式工作的DC/DC變換器,并且工作在高頻狀態(tài),以實現(xiàn)近似于1的單位功率因數(shù)。在各種單相APFC電路拓撲結構中,Bost(升壓)型PFC電路具有主電路結構簡單、變換效率高以及控制策略易實現(xiàn)等優(yōu)點,應用較多,也比較典型,如圖1所示。
 
  圖1所示電路的基本工作原理可以簡單概括為:開關管VT按照功率因數(shù)校正的控制規(guī)律要求工作,時通時斷。VT開通時,二極管VD截止,此時電感L儲存能量,負載R由電容C供電。VT關斷時,二極管VD導通,L中的儲存能量向負載端釋放,C充電。

 
  電路有兩種主要工作模式,即斷續(xù)電流模式(DCM)和連續(xù)電流模式( CCM)。所謂DCM是指流經(jīng)電感L的電流i_L在一個開關周期中不連續(xù),而CCM的i_L則始終連續(xù)。相對于DCM,由于CCM對電源利用率高,具有更小的網(wǎng)側輸入電流紋波和電路開關損耗,同時也更容易實現(xiàn)功率因數(shù)和低諧波失真等,因此在PFC中CCM應用居多。但是,CCM卻存在二極管VD的反向恢復電流較大的問題。
 
  在硬開關CCM變換中,開關管VT與二極管VD交替工作,并且流經(jīng)電感L的電流連續(xù)。VT導通時,VD在有導通電流的情況下被強行截止,會產生較大的反向恢復電流,給電路工作帶來許多問題。如,過高的di/dt以及由此導致的嚴重電磁干擾和電壓電流應力;使VD產生較大的反向恢復損耗以及由此引發(fā)的開關管VT較大的開通損耗等。當然,如果將軟開關或者無損吸收技術應用到電路中,對解決這些問題無疑可以起到很好的效果。但是,這樣做需要給電路增加若干元器件,不僅增加了電源的制造成本,并且使電路拓撲的復雜性增加,降低了電源的工作可靠性。另外,增加的元器件在工作中也要有一定的損耗,從節(jié)能和提高變換器的轉換效率角度考慮也未必十分有利。



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