开关电源功率因数校正电路原理说明市公开课一等奖省赛课微课金奖课件.pptx

西安赛维技术培训,开关电源功率因数校正原理,（）,西安赛维培训资料新技术类,西安赛维 刘长军,第1页,一、什么是功率因数赔偿，什么是功率因数校正：,功率因数定义为有功功率与视在功率比值,功率原因赔偿:这项技术主要是针对因含有感性负载交流用电器具电压和电流不一样相(图1)而引发供电效率低下,提出改进方法(因为感性负载电流滞后所加电压,电压和电流相位不一样,使供电线路负担加重,造成供电线路效率下降,这就要求在感性用电器具上并联一个性质相反电抗元件.用以调整该用电器具电压、电流相位特征.比如:当初要求所使用40W日光灯必须并联一个4.75F电容器).用电容器并联在感性负载两端,利用电容上电流超前电压特征,用以赔偿电感上电流滞后电压特征,使总特征靠近于阻性,从而改进效率低下方法叫做功率因数赔偿(交,流电功率因数能够用电源电压与负载电流二者相位角余弦函数值cos表示,)。,第2页,图1 在含有感性负载中供电线路中电压和电流波形,第3页,常规开关电源功率因数低是因为开关电源都是在整流后,用一个大容量滤波电容使输出电压平滑,所以负载特征展现容性.这就造成了交流220V在整流后,因为滤波电容充、放电作用,在其两端直流电压上出现略呈锯齿波纹波.滤波电容上电压最小值远非为零,与其最大值,(纹波峰值)相差并不多.,图2 全波整流电压和AC输入电流波形,第4页,因为依据整流二极管单向导电性,只有在AC线路电压瞬时值高于滤波电容上电压时,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线路电压每个半周期内,只是在其峰值附近,二极管才会导通.,即使AC输入电压仍大致保持正弦波波形,但AC输入电流却呈高幅值尖峰脉冲,如图2所表示.这种严重失真电流波形含有大量谐波成份,引发线路功率因数严重下降.,在正半个周期内(180),整流二极管导通角大大小于180,甚至只有3070.因为要确保负载功率要求,在极窄导通角期间,会产生极大导通电流,使供电电路中供电电流呈脉冲状态.它不但降低了供电效率,更为严重是,它在供电线路容量不足或电路负载较大时,会产生严重交流电压波形畸变(图3),并产生屡次谐波,从而干扰了其它用电器具正常工作(这就是电磁干扰EMI和电磁兼容EMC问题)。,第5页,图3 正常供电电压波形和接入容性负载后电压波形畸变,第6页,二、怎样进行功率因数校正,：,1、功率因数校正:(PFC),我们当前使用电视机,因为采取了高效开关电源,而开关电源内部电源输入部分,无一例外采取了二极管全波整流及滤波电路,如图4A所表示,其电压和电流波形如图4B所表示。,图4 全桥整流滤波电路及电压和电流波形图,第7页,假如在整流滤波后不加滤波电路,仅为足性负载时,输入电流即为正弦波.而且与电源电压同相位,功率因数为1.所以,功率因数校正电路基本思想就是将整流电路与滤波电容隔开,使整流电路由电容性负载变成电阻性负载.,功率因数校正电路其实就是一个AC/DC变换器,.它是利用脉冲波宽度调变(PWM)技术来调整输入功率大小,以供给适当负载所需功率.脉冲波宽度调变器控制切换开关将直流输入电压变换成一串电压脉冲波,随即利用变压器和快速二极管将其转换成平滑直流电压输出.这个输出电压随即与一个参考电压进行比较,所产生电压差反馈至PWM控制器.这个误差电压信号用来改变脉冲波宽度大小.假如输出电压过高,脉冲波电压会减小,进而使输出电压降低,使输出电压恢复至正常输出值.,PFC电路就是利用这个方法,不过加入了一个电路,使来自交流电源电流是一个正弦波并与交流电压同相位.,此时误差电压信号调变是由整流后交流电压和输出电压改变来控制,最终误差电压信号反馈至PWM控制器,.也就是说,当交流电压高时,PFC电路就从交流电源吸收较多功率;反之,若交流电压较低,则吸收较少功率,这么就能够抑制交流电流谐波产生.,第8页,为了抑制电流波形畸变及提升功率因数,当代功率较大(大于85W)含有开关电源(容性负载)用电器具,必须采取PFC办法,PFC分为有源PFC和无源PFC两种方式。,2、无源PFC电路：,不使用晶体管等有源器件组成校正电路,普通由二极管、电阻、电容和电感等无源器件组成。,这种电路主要是在整流桥堆和滤波电容之间加一只电感(适当选取电感量),利用电感上电流不能突变特征来平滑电容充电强脉冲波动,改进供电线路电流波形畸变,而且利用电感上电压超前电流特征也赔偿滤波电容电流超前电压特征,使功率因数、电磁兼容和电磁干扰得以改进,如图5所表示.,第9页,图5 无源PFC电路,第10页,此种方式还不能称为真正无源PFC电路,只是一个简单赔偿办法,能够应用在前期设计无PFC功效设备上,简单增加一个适当电感(适当选取L和C值),从而到达含有抑制电流瞬时突变目标.不过这种简单低成本补救方法,输出纹波较大,滤波电容两端直流电压也较低,电流畸变校正及功率因数赔偿能力都很差,而且L绕制及铁芯质量控制不好,会对图像及伴音产生严重干扰,只能是对于前期无PFC设备使之能进入市场暂时办法。,3、有源PFC电路原理：,有源PFC电路则有很好效果,基本上能够完全消除电流波形畸变,而且电压和电流相位能够控制保持一致,它基本上完全处理了功率因数、电磁兼容、电磁干扰问题,不过电路非常复杂.其基本思绪是在220V整流桥堆后,去掉滤波电容,(以消除因电容充电造成电流波形畸变及相位改变),由一个“斩波”电路把脉动直流变成高频(约100KHz)交流经过整流滤波后,其直流电压再向常规PWM开关稳压电源供电,其过程是ACDCACDC。,第11页,有源PFC电路基本原理是在开关电源整流电路和滤波电容之间增加一个DCDC斩波电路,如图6所表示(斩波电路等于附加一个开关电源).,图6 有源PFC电路,第12页,对于供电线路来说,该整流电路输出没有直接接滤波电容,所以其对于供电线路来说展现是纯阻性负载,其电压和电流波形同相、相位相同,.斩波电路工作也类似于一个开关电源,所以说有源PFC开关电源就是一个双开关电源开关电源电路,它是由斩波器(我们以后称它为:“PFC开关电源”)和稳压开关电源(我们以后称它为“PWM开关电源”)组成.,4、斩波器部分:(PFC开关电源),整流二极管整流以后不加滤波电容器,把未经滤波脉动正半周电压作为斩波器供电电源,因为斩波器一连串做“开关”工作脉动正电压被“斩”成图7所表示电流波形,其波形特点：,（1）电流波形是断续,其包络线和电压波形相同,而且包络线和电压波形相位同相；,（2）因为斩波作用,半波脉动直流电变成高频(由斩波频率决定,约 100KHz).,第13页,黑色实线为电压波形,红色虚线为电流包络波形,图7 斩波器输出电压和电流波形图,第14页,（,3）从外供电总看,该用电系统做到了交流电压和交流电流同相,而且电压波形和电流波形均符合正弦波形,既处理了功率因数赔偿问题,也处理了电磁兼容(EMC)和电磁干扰(EMI)问题。,该高频“交流”电再经过整流二极管整流,并经过滤波变成直流电压(电源)向后级PWM开关电源供电,该直流电压在一些资料上把它称为B+PFC(海信等离子TPW4211即是如此).斩波器输出B+PFC电压普通高于原220V交流整流滤波后+300V,其原因是选取高电压、电感线径小、线路压降小、滤波电容容量小、滤波效果好,对后级PWM开关管要求低等等很多好处,。,第15页,5、当前PFC开关电源部分,起到开关作用斩波管(K)有两种工作方式：,（1）连续导通模式(CCM)：,开关管工作频率一定,而导通占空比(系数)随被斩波电压幅度改变而改变,如图8所表示。,图中T1和T2位置:T1在被斩波电压(半个周期)低电压区,T2在被斩波电压高电压区,T1(时间)T2(时间).从图中能够看到,全部开关周期时间都相等,这说明在被斩波电压任何幅度时,斩波管工作频率不变.从图8中能够看出,在高电压区和低电压区,每个斩波周期内占空比不一样(T1和T2时间相同,而上升脉冲宽度不一样),被斩波电压为零时(无电压),斩波频率依然不变,所以称为连续导通模式(CCM),该种模式普通应用在250WW设备上。,第16页,图8 连续导通模式(CCM),第17页,（2）不连续导通模式(DCM),：,斩波开关管工作频率随被斩波电压大小改变,每一个开关周期内“开”、“关”时间相等,如图9所表示.T1和T2时间不一样,也反应伴随电压幅度改变其斩波频率也对应改变.被斩波电压为“零”时,开关停顿(振荡停顿),所以称为不连续导通模式(DCM),即有输入电压斩波管工作,无输入电压斩波管不工作.它普通应用在250以下小功率设备上,比如:海信TLM3277液晶电视接收机开关电源PFC部分即工作在DCM模式,（3）临界导通模式(CRM)或过渡模式(TCM)：,工作介于CCM和DCM之间,工作更靠近DCM模式.在上一个导通周期结束后,下一个导通周期之前,电感电流将衰减为零,而且频率伴随线路电压和负载改变而改变。,优点:廉价芯片、便于设计,没有开关导通损耗,升压二极管选择并非决定性；,缺点:因为频率改变,存在潜在EMI问题,需要一个设计准确输入滤波器。,第18页,图9 不连续导通模式(DCM),第19页,6、开关稳压电源部分:(PWM开关电源),该开关稳压电源(PWM)是整个含有PFC功效开关电源一部分,其工作原理及稳压性能和普通电视机开关稳压电源一样,所不一样是普通开关稳压电源供电是由交流220V整流供电,而此开关电源供电是由B+PFC供电(B+PFC选取是+380V)。,当前应用含有功率因数校正开关电源中,PFC开关电源部分和PWM开关电源部分激励部分均由一块集成电路完成,即PFC/PWM组合IC(比如:海信TPW4211等离子电视ML4824及TLM3277液晶电视SMA-E1017等),其基本框图如图10(等离子三星V2屏PFC开关电源基本框图)和图11(海信液晶TLM3277电视开关电源基本框图),所表示。,第20页,图10 等离子三星V2屏PFC开关电源基本框图,(CCM),第21页,图11 海信液晶TLM3277电视开关电源基本框图,第22页,谢谢大家！,第23页,