APFC電路原理介紹及在通信電源系統中的應用

2020-11-26 電子產品世界

一、引言

在通信用開關電源系統中，為了減少輸入電流諧波，降低其對電網的汙染，同時有利於後級DC-DC變換電路的穩定工作，交流輸入側多採用有源功率因數校正技術。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/180589.htm


提高功率因數最簡單的方法是無源補償法，但由於無源法中應用的器件體積大而笨重且性能指標不理想，目前最先進的方法是採用有源功率因數校正技術（APFC）。與無源校正相比，有源功率因數校正電路抑制諧波效果更明顯，總諧波含量可抑制在5%以內，功率因數可達到0.9以上，接近單位功率因數。

二、APFC電路的基本原理

單相有源功率因數校正電路的控制主要包括應用乘法器的電流連續工作方式（CCM）和射隨器的電流非連續工作方式（DCM）。輸出功率在700W以上電源目前主要以CCM方式為主，主電路拓撲多採用升壓（boost）變換器,這主要是由於boost變換器具有輸入電流小、效率高、輸入電壓範圍寬的優點；同時儲能電感也可作為濾波器抑制RFI和EMI噪聲。基本工作原理見圖1，其中的boost變換器工作於CCM方式，可以看出，控制電路採用了電壓、電流雙閉環控制，電流反饋網絡的取樣信號是升壓變換器的電感電流，電壓反饋網絡的取樣信號是變換器的輸出電壓。正比於輸入電流的取樣信號與乘法器的輸出進行比較，經處理轉換成PWM脈衝，控制功率管S導通或關斷。功率管導通後，電感電流線性上升。當取樣電流與參考電流相等時，控制器使功率管關斷，此時電感的自感電勢使二極體D導通，儲能電感L通過二極體D對電容C放電，電感電流線性下降。隨後第二個開關周期開始，重複上述過程。通過對電感電流進行採樣並實施控制，使電感電流的幅值與輸入電壓同相位的正弦參考信號成正比，從而達到功率因數校正的目的。同時根據輸出電壓反饋，利用乘法器電路來控制正弦電流，以獲得穩定的電壓輸出。



圖1

三、關鍵電路設計與實例

實例中涉及到的有關設計數據有：



3.1功率級電路分析

由於穩態時一個周期內電感的平均電壓為零，即維持伏秒平衡，於是有

式中：
TON--功率管S導通時間

TOFF --功率管S關斷時間
輸出電壓


式中：D―功率管S的導通佔空比，


因D總是小於1，所以

佔空比


因輸入電壓


故

說明在半個電網周期內佔空比是時變的。且在電網電壓過零時達到最大，在電網電壓的峰值處降到最小。
其中電感電流為：



3.2輸出電壓的選擇

通常，輸出電壓要高於最大輸入電壓的峰值的10%左右。設D8D9 考慮器件耐壓等因素，可選擇380V。

3.3升壓儲能電感的設計

升壓儲能電感所需電感量是由開關紋波電流設計值決定，若允許較大的紋波，則可減少電感量。最壞情況出現在低電網電壓同時輸出最大負載時的峰值電流。PFC電感中的最大紋波電流，通常選擇為最大峰值線路電流的20%左右，即



由式（3）可得


設最小

若

則由上述（7）、（8）式得到


電感的設計還包括磁芯材料與規格的選用，以及銅損、鐵損估算等，因篇幅限制，本文不再詳述。

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