开关电源功率因数校正器的基本工作原理

  开关电源是目前使用数量最多的一种电力电子装置,可主要分为直流开关电源和交流开关电源两类。直流开关电源的前端一般是由二极管或晶闸管构成的非线性整流器,会产生大量的谐波和无功功率,使得开关电源的功率因数比较低,同时也对电网形成不良干扰。虽然单台套开关电源一般功率不是很大，但是由于使用量大面广,其影响不容忽视。因此,在众多开关电源中已经实施高功率因数校正( PFC)技实现所谓“绿色电源”。
 
  开关电源的PFC可分为无源PFC( PPFC)和有源PFC( APFC)。APFC一般是在开关电源的整流器后有一级按照平均电流或峰值电流等控制方式工作的DC/DC变换器,并且工作在高频状态,以实现近似于1的单位功率因数。在各种单相APFC电路拓扑结构中,Bost(升压)型PFC电路具有主电路结构简单、变换效率高以及控制策略易实现等优点,应用较多,也比较典型,如图1所示。
 
  图1所示电路的基本工作原理可以简单概括为:开关管VT按照功率因数校正的控制规律要求工作,时通时断。VT开通时,二极管VD截止,此时电感L储存能量,负载R由电容C供电。VT关断时,二极管VD导通,L中的储存能量向负载端释放,C充电。

 
  电路有两种主要工作模式,即断续电流模式(DCM)和连续电流模式( CCM)。所谓DCM是指流经电感L的电流i_L在一个开关周期中不连续,而CCM的i_L则始终连续。相对于DCM,由于CCM对电源利用率高,具有更小的网侧输入电流纹波和电路开关损耗,同时也更容易实现功率因数和低谐波失真等,因此在PFC中CCM应用居多。但是,CCM却存在二极管VD的反向恢复电流较大的问题。
 
  在硬开关CCM变换中,开关管VT与二极管VD交替工作,并且流经电感L的电流连续。VT导通时,VD在有导通电流的情况下被强行截止,会产生较大的反向恢复电流,给电路工作带来许多问题。如,过高的di/dt以及由此导致的严重电磁干扰和电压电流应力;使VD产生较大的反向恢复损耗以及由此引发的开关管VT较大的开通损耗等。当然,如果将软开关或者无损吸收技术应用到电路中,对解决这些问题无疑可以起到很好的效果。但是,这样做需要给电路增加若干元器件,不仅增加了电源的制造成本,并且使电路拓扑的复杂性增加,降低了电源的工作可靠性。另外,增加的元器件在工作中也要有一定的损耗,从节能和提高变换器的转换效率角度考虑也未必十分有利。



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