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AC/DC前端转换器模块中功率因数校正技术介绍

时间:2019-01-26 来源: 关键字:AC/DC   转换器   功率   

 根据定义,交流电源的功率因数(PF)定义为流入负载的实际功率(瓦)与电路中的视在功率之比,它是电流和电压的乘积。它表示为PF =实际功率(W)/视在功率(VA)。 PF方程表明它是介于0和1之间的数字。因此,当电流和电压同相和正弦时,PF为1.但是,如果两者都是正弦但不同相,则视在功率大于实际值。功率和PF是电流和电压波形之间的相角的余弦。在实践中,PF = 1是负载是纯电阻和线性的理想情况。实际上,电子系统中的离线AC/DC电源是开关模式,呈现非线性负载。

由于目前大多数电源都是开关模式,因此它们会产生非正弦波形,从而产生输入电流和电压之间的相位角。当电流波形不跟随电压波形时,它会导致PF低于1.除了功率损耗之外,《1 PF会导致谐波沿中性线传播并破坏连接到交流电源线的其他设备。 PF数越低,AC线上的谐波含量越高,反之亦然。因此,有严格的规定来限制交流电源线上允许的谐波失真。例如,欧洲的EN61000-3-2 [1]被引入以限制将电子设备反射的谐波发送回电源。它适用于所有D类电子系统,如PC(包括笔记本电脑和PC显示器),以及消耗超过75 W的无线电和电视接收器.D类是四类(A,B,C和D)之一按EN61000-3-2标准分类,该标准对每个等级施加不同的谐波电流限制。该标准现已在国际上被接受。

为了符合EN61000-3-2等法规的谐波要求并保持较高的整体PF性能,有必要在电子系统中使用的AC/DC前端转换器模块中加入功率因数校正(PFC)功耗超过75 W.实现PFC可实现高PF值并确保低谐波。正如我们将要看到的,目前有许多无源和有源技术可用于AC前端采用的众多电源拓扑结构。

无源PFC

如安森美半导体公布的功率因数校正手册第一章所述[2],控制谐波电流的最简单方法是使用仅在线路频率下通过电流的无源滤波器(例如,50或60赫兹)。该滤波器降低了谐波电流,这意味着非线性器件现在看起来像线性负载。使用内置电容器和电感器的滤波器,功率因数可以接近一致。然而,缺点是滤波器需要大值的高电流电感器和高压电容器,其体积大且昂贵。

图1显示了三种不同250 W PC电源的输入谐波,与根据EN/IEC61000-3-2 D类设备规范的限值进行了比较。谐波幅度与这些设备的输入功率成比例。如图所示,无源PFC的性能几乎不符合三次谐波的限制。带有源PFC的单元符合并优于IEC61000-3-2规范。

 

AC/DC前端转换器模块中功率因数校正技术介绍

 

图1:相比之下,带有源PFC控制器的电源优于被动式PFC超过电源线谐波的IEC61000-3-2规范。 (由安森美半导体公司提供。)尽管设计和使用简单,但无源PFC电路有一些缺点。首先,电感器的体积限制了它在许多应用中的可用性。其次,对于全球运行,需要线电压范围开关。如果没有正确地进行开关选择,则开关的结合使得器具/系统易于发生操作员错误。最后,未被调节的电压轨导致在PFC级之后的DC/DC转换器的成本和效率损失。

有源PFC

除性能外,铜和磁芯材料的成本上升,加上半导体成本的下降,使得有源PFC解决方案的平衡趋于平衡,即使在对成本最敏感的消费设备中也是如此。在下面的方案中(图2),有源PFC电路放置在输入整流器和存储电容之间,然后是DC/DC转换器。具有相关电路的PFC IC对输入电流进行整形,以匹配输入电压波形,实现0.9和更高的PF。

 

AC/DC前端转换器模块中功率因数校正技术介绍

 

图2:有源PFC控制器电路位于输入整流器和存储电容之间。 (由安森美半导体提供。)从根本上说,有三种不同类型的有源PFC控制器芯片。这些包括临界传导模式(CrM),连续传导模式(CCM)和不连续传导模式(DCM)。有几家制造商提供各种这些有源PFC IC,但每个供应商都提供自己的版本和使用它们的理由。

CrM控制方案将电感电流保持在连续和不连续传导之间的临界极限。因此,一些供应商更喜欢将其称为边界传导模式或BCM。由于在该方案中总是知道波形,所以平均电流和峰值电流之间的关系也是已知的。安森美半导体为高达300 W的中等功率应用提供各种电压模式CrM PFC IC。此类别中的最新产品是MC34262/MC33262控制器。

另一家CrM PFC控制器供应商是Fairchild Semiconductor。其FAN6920MR在单个封装中集成了CrM PFC控制器和准谐振PWM控制器。对于PFC,FAN6920MR使用受控的导通时间技术来提供稳定的DC输出电压,以及执行功率因数校正。

由于峰值电流应力较低,同时纹波电流减小,滤波任务更容易,因此CCM控制在许多应用中广泛使用,范围从中等功率到高功率应用。一些提供基于CCM的PFC控制器的主要供应商包括Fairchild Semiconductor,Infineon Technologies,International Rectifier,NXP Semiconductor,ON Semiconductor,Power Integrations和Texas Instruments。

在DCM空间(也是中低功率应用的首选)中,Cirrus Logic采用数字技术创建了一种非连续模式有源PFC控制器,无需多个无源元件即可实现低成本适用于PC,笔记本适配器和数字电视接收器的PFC解决方案。 CS1500(图3)采用可变导通时间和可变频率算法,以实现接近单位功率因数和低EMI辐射,从而简化EMI滤波。

 

AC/DC前端转换器模块中功率因数校正技术介绍

 

图3:Cirrus Logic的数字PFC控制器执行自适应数字算法,将交流电源输入电流波形整形为与输入电压波形同相。

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