適配器的功率因數校正電路

  適配器以其效率高?功率密度高而在電源領域中占主導地位,但傳統的適配器存在一個致命的弱點:功率因數低,一般為0.45~0.75,而且其無功分量基本上為高次諧波,其中三次諧波幅度約為基波幅度的95%,五次諧波幅度約為基波幅度的70%,七次諧波幅度約為基波幅度的45%,九次諧波幅度約為基波幅度的25%?高次諧波的危害在很多文獻中已有論述,在此不再贅述?針對高次諧波的危害,從1992年起國際上開始以立法的形式限制高次諧波,傳統的適配器形式在限制之列?國外在此以前即開始改善適配器功率因數的工作,主要是功率因數校正電路和諸多的控制IC(如UC3842~UC3855A系列,KA7524,TDA4814等)?國內一些廠家也做了類似的工作,使適配器的功率因數達0.95~0.99,近似于1?

5.1功率因數校正電路

  5.1.1功率因數校正原理

  常規桌上型電源適配器的功率因數低的根源是整流電路后的濾波電容使輸出電壓平滑,但卻使輸入電流變為尖脈沖(如圖5-1所示),而整流電路后面不加濾波電路,僅為電阻性負載時,輸入電流即為正弦波,并且與電源電壓同相位,功率因數為1?于是功率因數校正電路的基本思想是將整流器與濾波電容隔開,使整流電路由電容性負載變為電阻性負載?在功率因數校正電路中,其隔離型電路如圖5-2所示?其基本原理在已有很多文獻中論述,在此不再贅述?但這種電路結構不能實現輸入與輸出的電隔離?為此提出單極正弦波輸入電流與電網隔離型適配器?

 圖5-1常規適配器輸入電壓與輸入電流波形                圖5-2基本隔離型PFC電路

  1.高次諧波及功率因數校正

一般適配器輸入市電經整流后對電容充電,其輸入電流波形為不連續的脈沖?這種電流除了基波分量外,還含有大量的諧波?其有效值I為：

式中:I1,l2……,I?分別表示輸入電流的基波分量與各次諧波分量

  諧波電流使電力系統的電壓波形發生畸變,我們將各次諧波有效值與基波有效值的比稱為總諧波畸變THD( Total Harmonic Distortion)?

它用來衡量電網的污染程度?脈沖狀電流使正弦電壓波形發生畸變,它對自身及同一系統的其他電子設備產生惡劣的影響,如引起電子設備的誤操作,使空調停止工作,引起電話網噪音，引起照明設備的障礙,造成變電站的電容?扼流圈的過熱?燒損等。

功率因數定義為PF=有功功率/視在功率,是指被有效利用功率的百分比?沒有被利用的無效功率則在電網與電源設備之間往返流動,不僅增加線路損耗,而且成為污染源。

  設電容輸入型電路的輸入電壓為

輸入電流為:

  則有效功率Pac為:

  而視在功率Pap為:

從式(5-2)?式(5-5)可見,抑制諧波分量即可達到減小THD?提高功率因數的目的?因此可以說諧波的抑制電路就是功率因數校正電路(實際上有所區別)?

2. 功率因數校正電路

     有源功率因數校正的概念起源于1980年?但被重視和推廣則在20世紀80年代末期和90年代?由于歐洲各國和日本相繼對適配器裝置的輸入諧波要求制定了標準,目前有兩個標準,它們是IEC555-2和IEC1000-3-2,使得研究PFC技術已成為電源界的熱點,綜觀PFC技術的發展,PFC技術可劃分為兩大類:一類是無源PFC技術;另一類是有源PFC技術?前者采用無源元件來改善輸入功率因數,減小電流諧波以滿足標準要求,其特點是簡單,但體積龐大?笨重,有些場合則無法滿足要求;后者是用一個變換器串入整流濾波電路與DC/DC變換器之間,通過特殊的控制強迫輸入電流跟隨輸入電壓,反饋輸出電壓使之穩定,從而使DC/DC變換器的輸入實現預穩?這種方法的特點是控制復雜,但體積大大減小,設計也易優化而進一步提高性能?目前研究較多的是有源PFC技術?

      有源PFC的研究已有一段時間,目前較為大家所關注的是下面兩類:一是兩級PFC技術,二是單級PFC技術?兩級PFC技術通常由一個專門管PFC的前置級和一個DC/DC變換器構成,而這一前置的功率級基本上都是 Boost電路?單級PFC一開始是在兩級方法簡化的基礎上再另辟途徑進行專門研究?