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利用PFC電路減少諧波失真

發(fā)布時間:2022-11-02 來源:MPS 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】日常生活中,大家會發(fā)現(xiàn)工業(yè)用電電費(fèi)會高于居民用電電費(fèi)。從技術(shù)角度來解答是因?yàn)楣I(yè)用電傳輸成本高,由于工業(yè)應(yīng)用中的用電設(shè)備多為大功率電感或容性負(fù)載,其功率因數(shù)相對居民用電設(shè)備的功率因數(shù)較低,從而導(dǎo)致無功功率較高,損耗大,因此供電成本相對較高。而居民用電普遍為中小功率設(shè)備,耗電小,功率因數(shù)高,無功功率損耗少。


本文將介紹功率因數(shù)(PF)和總諧波失真 (THD) 的概念,并回顧如何利用功率因數(shù)校正 (PFC) 電路和 PFC 控制器來實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)并減少諧波失真。


交流電的功率因數(shù)


功率因素PF (λ) 是指有功功率 (P) 與視在功率 (S) 之間的關(guān)系,其中總功耗等于 V x I。λ 為P 與 S 的比值,可用公式 (1) 來估算:


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無功功率 (Q)、S 和 P 之間的關(guān)系可以用公式 (2) 來表示:


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PF 用于衡量有多少電力被有效利用。PF 值越大,表示其電力的利用率越高。


在交流輸入電網(wǎng)中,PF 可以根據(jù)實(shí)際工作波形來表征,并用公式 (3) 來估算:


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影響 PF 的兩個主要因素是 cos (φ) 和 THD。φ為輸入交流電壓波形和負(fù)載電流波形之間的相位差,如圖1所示。 


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圖 1:輸入交流電壓波形和負(fù)載電流波形之間的相位差


總諧波失真(THD)是指由諧波引起的輸入電流失真程度。圖 2 顯示了輸入交流電壓和負(fù)載電流之間的 THD。 


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圖 2:輸入交流電壓和負(fù)載電流之間的 THD


通過公式 (4) 可以計(jì)算失真:


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交流電網(wǎng)中的諧波是相對于基波而言的。例如一個 頻率為 50Hz的220VAC 的正弦電壓施加于一個非線性負(fù)載。通過傅里葉級數(shù)可知,失真的輸入電流波形由每個諧波分量的相加而成。THD 相當(dāng)于二次以上諧波分量的 RMS 值和基波分量的 RMS 值比值的方和根。 失真輸入電流波形的總諧波失真計(jì)算如圖3所示。 


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圖 3:總諧波失真的計(jì)算


失真度越大,THD值越大,PF值則越小。為了提高用電效率,業(yè)界針對各種電氣設(shè)備的諧波電流要求制定了相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn),例如IEC 61000-3-2和EN 61000-3-2。


利用電路來實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)校正 (PFC)


圖 4 顯示了沒有功率因數(shù)校正的一般電路圖。其整流橋后只有電容濾波,它直接給負(fù)載設(shè)備供電。這導(dǎo)致輸入電流的導(dǎo)通角非常小,PF 很差,最后獲得的輸入電流波形也嚴(yán)重失真。 


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圖 4:沒有功率因數(shù)校正的電路圖


圖 5 顯示了無功率因數(shù)校正的電路電壓和電流波形。 


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圖 5:無功率因數(shù)校正的電路電壓和電流波形


現(xiàn)代AC/DC電源中,功率因數(shù)校正(PFC)電路主要采用有源功率因數(shù)校正(APFC)電路。APFC電路由電感、電容和半導(dǎo)體開關(guān)器件組成。它體積小,而且通過專用IC根據(jù)正弦電壓波形的變化來控制電流。其電流正弦度高,PF值可達(dá)0.99,非常接近最優(yōu)值1。


圖 6 顯示了一個典型的升壓(Boost) APFC 電路,該電路通過一個高頻開關(guān)控制電感電流波形。 


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圖 6:升壓 APFC 電路圖


圖 7 顯示了升壓 APFC 電路的輸入電流波形和電壓波形。 


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圖 7:升壓 APFC 電路的輸入電流波形和電壓波形


圖 8 顯示了一個典型的升壓 APFC 電路示例,用來實(shí)現(xiàn)輸入電流的正弦度。L1、D4、Q1 和 C6(紅色虛線框內(nèi))構(gòu)成升壓 APFC 電路的主電源,F(xiàn)B 為輸出電壓 (VOUT) 反饋,MULT 表示輸入正弦波相位跟蹤,CS則為電感電流采樣信號。 


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圖 8:用于實(shí)現(xiàn)輸入電流正弦度的升壓 APFC 電路


在開關(guān)周期內(nèi),通過FB檢測 VOUT,并將誤差放大后得到的COMP值與MULT引腳信號相乘,得出正弦參考值。該參考值將周期性地與電感電流采樣信號進(jìn)行比較,以完成 MOSFET 開關(guān)的關(guān)斷邏輯。


待ZCS 引腳檢測到升壓電感電流降至 0A 后,將觸發(fā) MOSFET 開關(guān)的開通邏輯,從而完成完整的開關(guān)周期。此外,C1電容對電感電流進(jìn)行平滑濾波,使輸入電流波形更趨近正弦,也更平滑。從而實(shí)現(xiàn)校正 PF獲得接近 1 的高 PF 值。


APFC 電路采用典型的臨界電流控制模式,這種控制模式在 300W 以內(nèi)的電源設(shè)計(jì)中很常見。對更大功率的應(yīng)用而言,則需選擇連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) PFC 電路。當(dāng)對輕載效率有要求時,增加非連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)將有效降低工作頻率,以此改善開關(guān)損耗與EMI。


結(jié)語


本文討論了 PF 和 THD 之間的關(guān)系,以及如何利用升壓 APFC 電路獲得高 PF 值。在電源設(shè)計(jì)中集成 PFC 電路可以最大限度地減少總諧波失真并提高電源利用率,從而降低整體電源成本。


MPS 提供的一系列 PFC 控制器產(chǎn)品可以滿足諧波電流的要求并提高電源質(zhì)量。這些 PFC 控制器均采用專有封裝技術(shù)和高效率的集成設(shè)計(jì)。


來源:MPS



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