开关电源功率因素及其校正方法

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功率因数补偿:二十世纪五十年代,已经提出了改善电压、电流之间有感性负载的交流用电器具的电压和电流不同相(图1)而造成供电效率低下的办法(由感性负载的电流滞后所加电压、相位不一致造成供电线路的负荷加重导致供电线路效率下降,这就需要在感性用电器具上并联一个电容器来调整其电压、电流相位特性,例如:当时要求所使用的40 W日光灯必须并联一个4.75μ F的电容器)。采用电容并连于感性负载,利用其电容上电流超前电压的特性补偿电感上的电流滞后电压的特性,以使整体特性接近阻性,从而提高低效率的方法就是功率因数补偿(交流电的功率因数可以用电源电压和负载电流两者相位角的余弦函数值cosφ表示)。

图1

开关电源

在具有感性负载中供电线路中电压和电流的波形

而在上世纪80年代起,用电器具大量的采用效率高的开关电源,由于开关电源都是在整流后用一个大容量的滤波电容,使该用电器具的负载特性呈现容性,这就造成了交流220V在对该用电器具供电时,由于滤波电容的充、放电作用,在其两端的直流电压出现略呈锯齿波的纹波。滤波电容上电压的最小值远非为零,与其最大值(纹波峰值)相差并不多。根据整流二极管的单向导电性,只有在AC线路电压瞬时值高于滤波电容上的电压时,整流二极管才会因正向偏置而导通,而当AC输入电压瞬时值低于滤波电容上的电压时,整流二极管因反向偏置而截止。也就是说,在AC线路电压的每个半周期内,只是在其峰值附近,二极管才会导通。虽然AC输入电压仍大体保持正弦波波形,但AC输入电流却呈高幅值的尖峰脉冲,如图2所示。这种严重失真的电流波形含有大量的谐波成份,引起线路功率因数严重下降。

在正半个周期内(1800),整流二极管的导通角大大的小于1800甚至只有300-700,由于要保证负载功率的要求,在极窄的导通角期间会产生极大的导通电流,使供电电路中的供电电流呈脉冲状态,它不仅降低了供电的效率,更为严重的是它在供电线路容量不足,或电路负载较大时会产生严重的交流电压的波形畸变(图3),并产生多次谐波,从而,干扰了其它用电器具的正常工作(这就是电磁干扰-EMI和电磁兼容-EMC问题)。

图2

开关电源

自从用电器具从过去的感性负载(早期的电视机、收音机等的电源均采用电源变压器的感性器件)变成带整流及滤波电容器的容性负载后,其功率因素补偿的含义不仅是供电的电压和电流不同相位的问题,更为严重的是要解决因供电电流呈强脉冲状态而引起的电磁干扰(EMI)和电磁兼容(EMC)问题。

这就是在上世纪末发展起来的一项新技术(其背景源于开关电源的迅速发展和广泛应用)。其主要目的是解决因容性负载导致电流波形严重畸变而产生的电磁干扰(EMl)和电磁兼容(EMC)问题。所以现代的PFC技术完全不同于过去的功率因数补偿技术,它是针对非正弦电流波形畸变而采取的,迫使交流线路电流追踪电压波形瞬时变化轨迹,并使电流和电压保持同相位,使系统呈纯电阻性技术(线路电流波形校正技术),这就是PFC(功率因数校正)。

所以现代的PFC技术完成了电流波形的校正也解决了电压、电流的同相问题。

图3

开关电源

 

由于上述原因,要求供电功率超过85 W (有些数据显示大于75 W)的容性负载用电器具,必须加一种校正电路来修正其负载特性,以使其负载特性接近于阻性(电压和电流波形同相且波形相近)。这种电路叫做功率因数校正(PFC) 电路。

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