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开关电源PFC及其工作原理2

开关电源PFC及其工作原理2

作者: 贝_0f41 | 来源:发表于2019-01-05 20:49 被阅读0次

    (接上篇)

    图5 

    图5A中D是整流管,R是负载,C是滤波电容。图5B是该电路接入交流电时电路中电压/电流波形图。

    在(0^0 ~180^0 )t0~t3时间:t0时间电压为0电流也为0,在t1时间电压达到最大值电流也达到最大值,因为此时对负载R供电的同时还要对电容C进行充电,所以电流的幅度比较大。在t1时间由于对电容c进行充电,电容上电压Uc 达到输入交流电的峰值,由于电容上电压不能突变,使在t1~t3期间,二极管右边电压为Uc,而左边电压在t1电压由峰值逐渐下降为0,在t1~t3期间二极管反偏截止,此期间电流为0。(增加滤波电容C后第一个交流电的正半周,二极管的导通角为90^0

    在(180^0 ~360^0)t3~t4时间:二极管反偏无电压及电流(二极管截止)。

    在(360^0 ~410^0 )t4~t5时间:由于在t3~t4时间二极管反偏,不对C充电,C上电压通过负载放电,电压逐渐下降(下降的幅度由C的容量及R的阻值大小决定,如果C的容量足够大,而且R的阻值也足够大,其Uc下降很缓慢。)在t4~t5期间尽管二极管左边电压在逐步上升,但是由于二极管右边的Uc放电缓慢,右边的电压Uc仍旧大于左边,二极管仍旧反偏截止。

    在(410^0 ~540^0 )t5~t7时间:t5时间二极管左边电压上升到超过右边电压二极管导通对负载供电并对C充电,其流过二极管的电流较大,到了t6时间二极管左边电压又逐步下降,由于Uc又充电到最大值,二极管在t6~t7时间又进入反偏截止。

    结论:在有滤波电容的整流电路中,供电电路的电压和电流波形完全不同,电流波形在短时间内呈强脉冲状态,二极管导通角小于180^0 (根据负载R和滤波电容C的时间常数而决定)。该电路对于供电线路来说,由于在强电流脉冲的极短期间线路上会产生较大的压降(对于内阻较大的供电线路尤为显著)使供电线路的电压波形产生畸变,强脉冲的高次谐波对其它的用电器具产生较强的干扰。

    怎样进行功率因数校正:

    功率因数校正(PFC)

    我们目前用的电视及由于采用了高效的开关电源,而开关电源内部电源输入部分,无一例外的采用了二极管全波整流及滤波电流,如图6A,其电压和电流波形如图6B

    图6

    为了抑制电流波形的畸变及提高功率因数,现代的功率较大(大于85W)具有开关电源(容性负载)的用电器具,必须采用PFC措施,PFC有:有源pfc和无源pfc两种方式

    目前部分CRT厂家对部分电视机的改进

    不使用晶体管等有源器件组成的校正电路。一般由二极管/电阻/电容和电感等无源器件组成,向目前国内的电视机生产厂对过去设计的功率较大的电视机,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的特性来平滑电容充电强脉冲的波动,改善供电线路电流波形的畸变,并且在电感上电压超前电流的特性也补偿滤波电容电流超前电压的特性,使功率因数/电磁兼容和电磁干扰得以改善,如图7。

    图7

    此电路虽然简单,可以在前期设计的无PFC功能的设备上,简单的增加一个合适的电感(适当的选取L和C的值),从而达到具有PFC的作用,但是这种简单的/低成本的无源PFC输出纹波较大,滤波电容两端的直流电压也较低,电流畸变的校正及功率因数补偿的能力都很差,而且L的绕制及铁芯的质量控制不好,会对图像及伴音产生严重的干扰,只能是对于前期无PFC设备使值能进入市场的临时措施。

    有源PFC电路的原理

    有源PFC则是有很好的效果,基本上可以完全的消除电流波形的畸变,而且电压和电流的相位可以控制保持一致,它可以基本上完全解决了功率因数/电磁兼容/电磁干扰的问题,但是电路非常的复杂,其基本思路是在220V整流桥堆后去掉滤波电容(以消除因电容的充电造成的电流波形畸变及相位的变化),去掉滤波电容后由一个“斩波”电路把脉动的直流变成高频(约100K)交流再经过整流滤波后,其直流电压再向常规的PWM开关稳压电源供电,其过程是:AC-DC-AC-DC.

    有源PFC的基本原理是在开关电源的整流电路和滤波电容之间增加一个DC-DC的斩波电流图8(附加开关电源),对于供电线路来说该整流电路输出没有直接接滤波电容,所以其对于供电电流来说呈现的是纯阻性的负载,其电压和电流波形同相/相位相同。斩波电流的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的开关电源电路,它是由斩波器(PFC开关电源)和稳压开关电源(PWM开关电源)组成。

    图8 

    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,把未经滤波的脉动正半周电压作为斩波器的供电源,由于斩波器的一连串的做“开关”工作,脉动的正电压被“斩”成图9的电流波形,其波形的特点是:1.电流波形是断续的,其包络线和电压波形相同,并且包络线和电压波形相位同相。2.由于斩波的作用,半波脉动的直流电变成高频(由斩波频率决定,约100KHz)“交流”电,该高频“交流”电要再次经过整流才能被候机PWM开关稳压电源使用。3.从外供电总的看,该用电系统做到了交流电压和交流电流同相并且电压波形和电流波形均符号正弦波形,既解决了功率因数补偿问题,也解决了电磁兼容(emc)和电磁干扰(emi)问题。

    图9

    目前PFC开关电源部分,起到开关作用的斩波管(K)有两种工作方式:

    1.连续导通模式(CCM):开关管的工作频率一定,而导通的占空比(系数)随被斩波电压的幅度变化而变化,如图10.

    图10

    图中T1和T2的位置是:T1在被斩波电压(半个周期)的低电压区,T2在被斩波电压高电压区,T1(时间)=T2(时间),从图中可以看到所有的开关周期时间都相等,这说明在被斩波电压的任何幅度时,斩波管的工作频率不变,从图10可以看出,在高电压区和低电压区每个斩波周期内的占空比不同(T1和T2的时间相同,而上升脉冲的宽度不同),被斩波频率仍然不变,所以称为连续导通模式(CCM),该种模式一般应用在250W~2000W的设备上。

    2.不连续导通模式(DCM):斩波开关管的工作频率随被斩波电压的大小变化(每一个开关周期内“开”“关”时间相等)。如图11:T1 和T2时间不同,也反映随着电压幅度的变化其斩波频率也相应变化。被斩波电压“零”开关停止(振荡停止),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。

    图11

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