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Boost PFC转换器电路如何改善电能质量?

助工
2018-07-26 15:55:22    评分
线性电源,即使是具有无源滤波的电源,也具有低功率因数和高谐波电流。了解升压功率因数校正(PFC)转换器,这是一种可以改善电源电能质量的电路。

所有电子设备都需要电源将来自电网的交流电压转换为电子设备的直流电压。线性电源,即使是具有无源滤波的电源,也具有低功率因数并将谐波电流引入系统。

单个电源的整体效果并不大,但是当您考虑使用数百万个此类电源时,这些电源的电源质量的综合影响可能会很大。我们可以通过使用包含功率因数校正电路的电源来改善这种情况,这会增加功率因数并降低谐波电流。升压功率因数校正转换器是一种可以添加到电源的电路,可显着提高电源质量。

 

功率因数和功率因数校正

一种类型的功率因数校正  (PFC)涉及无源校正,其中系统的无功功率通过添加将使用相等但相反量的无功功率的分量来补偿。例如,如果负载是感应的,无功功率为1.754 kVAR,那么系统将需要具有1.754 kVAR无功功率的容性负载来抵抗电感。

实现这种功率因数校正的一种方法是在需要时有一大组电容器可以切换到电路中。这种类型的功率因数校正适用于大规模的线性负载,其中功率因数校正系统的成本可以被整个系统的尺寸和成本吸收。

在更小的尺度上 - 例如,单独的电源 - 功率因数也很重要。重要的不是因为任何单独的电源对系统有很大的影响,而是因为有太多的电源。更具挑战性的是这些电源是非线性负载,因此无法通过简单地添加无功元件(即电容器或电感器)来校正功率因数。

为确保电子设备不会对电网的功率因数产生显着的累积影响,EN61000-3-2Energy Star 80 Plus等国际标准对电源引入的功率因数下降和谐波失真设置了限制。

简单的无源滤波器是不够充分提高功率因数和谐波失真。相反,我们必须使用有源功率因数电路,迫使交流电流跟踪交流电压。

 

升压功率因数校正转换器

最常见的有源PFC电路之一称为升压PFC转换器,它是一种相对简单且低成本的电路。线性AC-DC转换器之外所需的唯一额外组件是开关(通常是FET),二极管和电感器。

下面的图1显示了升压PFC转换器。您可以看到它本质上是一个线性电源,在整流器和滤波电容之间插入一个升压转换器。

 

图1.升压PFC转换器电路

 

升压PFC转换器的一般目标是快速关闭和打开开关(S1)并使用不同的占空比,以使输入电流(i ac)正弦并与输入电压(v ac)同相。

 

升压PFC转换器操作

升压PFC电路在两个状态之间快速循环。当S 1闭合时,第一个状态发生,如图2所示。当处于这种状态时,电感器通过整流器由电路的AC侧供电,因此电感器电流将增加。同时,二极管D pfc变为反向偏置(因为其阳极通过S 1接地),并且电容器将能量提供给负载。

 

图2.升压PFC转换器,开关(S1)闭合

 

图3显示了第二种状态,它发生在S 1打开时。在这种状态下,电感器在向负载提供能量和为电容器充电时断电(电流减小)。

 

图3.开关(S1)打开时的升压PFC转换器

 

(注意,图2和图3都只显示了输入电压周期的正半部分。除了电流流过整流器的另外两个二极管外,负半部分是相同的。)

两个状态之间的循环以至少几十kHz的高频率完成,但通常比这高一个数量级(或甚至更高)。在状态之间来回循环是快速完成的,并且保持恒定的输出电压并控制平均电感器电流(以及随后的平均AC电流ICfans)。

由于电感器电流在状态1中增加而在状态2中减小,因此占空比确定电感器电流增加的时间量与电感器电流减少的时间量。因此,通过改变占空比,可以调节平均电感器电流。通过使该平均电流跟踪预期电流,可以显着改善功率因数和总谐波失真(THD)。

对于理想系统,预期的电感器电流将是整流的正弦波,预期的AC输入电流将是正弦波。由于系统的开关特性和难以获得预期电流的完美跟踪,AC输入电流(I ac)将不是理想的正弦波,电感电流(I (L))将不是理想的纠正正弦波,但看起来会像这样:

 

图4.升压PFC转换器的交流电流和电感电流 

 

这些电流是它们应该是的一般形状(正弦曲线/整流正弦曲线),但有一点突出的是信号线看起来很粗。发生该厚度是因为在一个周期期间,当控制平均电流以跟踪参考正弦电压时,电流斜升然后斜坡下降。

当系统在两种状态之间切换时,放大电感器电流会显示电感器的反复增加和减少的电流。

 

升压PFC转换器的电感器电流的半个周期图5.升压PFC转换器中电感电流的放大视图

 

增强PFC控制系统

需要闭环控制以确保维持输出电压并且 AC电流是正弦的并且与AC电压同相。描述控制系统的设计方式超出了本文的范围,但图6给出了整个系统的一般概念; 它显示了一个带有控制器模块的升压PFC电路,该控制器模块接受四个输入,并产生一个应用于S1门控的脉冲宽度调制(PWM)输出

 

图6.带控制系统的Boost PFC转换器电路

 

图6所示的控制系统需要三件事:

  • 测量输出电压(V dc)以确保其保持在参考电平(V ref

  • 测量交流电压,为电感电流提供参考

  • 测量平均电感电流,以确保其跟踪整流的交流电压

控制系统通常是PI或PID控制系统,其确保参考信号和所需信号之间的差异尽可能小。

成功设计的结果是提高了功率因数和THD,以及稳定的输出电压。升压PFC转换器的交流电压和电流如图7所示。

 

功率因数校正后的交流电压和电流

图7.交流电压和电流

 

您可以看到电流和电压接近同相,电流具有一般的正弦形状,失真最小。

对该系统的分析表明功率因数略低于0.99,THD约为10%。这些数字表明电源质量非常好,足以满足IEC 61000-3-2的谐波电流要求以及Energy Star 80 Plus的功率因数要求。

 

结论

线性电源对电气系统的电能质量有负面影响。在电源中添加无源滤波器可以提高电源质量,但不足以满足IEC 61000-3-2和Energy Star 80 Plus等电能质量规范。为了满足这些规范,有源功率因数校正是必要的,并且实现有源功率因数校正的最便宜和最常见的方法之一是使用升压PFC转换器。

升压PFC转换器使用开关元件迫使输入AC电流为正弦波并与输入电压同相。本文中使用的示例表明,通过使用升压PFC转换器可以显着改善电源的电源质量。




关键词: PFC转换器     ICfans     半导体    

管理员
2018-07-27 08:47:16    评分
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