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升压 PFC 转换器电路如何提高电能质量
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2024年01月28日 08:52 246
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所有电子设备都需要电源将电网的交流电压转换为电子设备的直流电压。线性电源，即使是具有无源滤波的电源，也具有较低的功率因数，并且会向系统中引入谐波电流。
单个电源的总体影响并不大，但当您考虑使用数百万个此类电源时，这些电源对电能质量的综合影响可能很大。我们可以通过使用包含功率因数校正电路的电源来改善这种情况，从而提高功率因数并减少谐波电流。升压功率因数校正转换器是一种可以添加到电源中以显着提高电源质量的电路。
功率因数和功率因数校正
一种类型的功率因数校正 (PFC) 涉及无源校正，其中通过添加将使用相等但相反量的无功功率的组件来补偿系统的无功功率。例如，如果负载为无功功率为 1.754 kVAR 的感性负载，则系统将需要无功功率为 1.754 kVAR 的容性负载来对抗电感。
实现这种功率因数校正的一种方法是使用大量电容器，可以在需要时切换到电路中。这种类型的功率因数校正非常适合大规模的线性负载，其中功率因数校正系统的成本可以由整个系统的尺寸和成本来吸收。
在较小的规模上（例如，单独的电源）功率因数也很重要。这很重要，不是因为任何单个电源都会对系统产生很大影响，而是因为电源数量太多。更具挑战性的是，这些电源是非线性负载，因此不能通过简单地添加电抗元件（即电容器或电感器）来校正功率因数。
为了确保电子设备不会对电网的功率因数产生显着的累积影响，EN61000-3-2和Energy Star 80 Plus等国际标准对电源引入的功率因数下降和谐波失真设置了限制。
之前的一篇文章表明，简单的无源滤波器不足以充分改善功率因数或谐波失真。相反，我们必须使用有源功率因数电路来强制交流电流跟踪交流电压。
升压功率因数校正转换器
最常见的有源 PFC 电路之一称为升压 PFC 转换器，这是一种相对简单且成本低廉的电路。除了线性 AC-DC 转换器中使用的元件之外，唯一需要的额外元件是开关（通常是 FET）、二极管和电感器。 下图 1 显示了升压 PFC 转换器。可以看到，它本质上是一个线性电源，在整流器和滤波电容之间插入了升压转换器。
升压 PFC 转换器操作
升压 PFC 电路在两种状态之间快速循环。第一种状态发生在S1闭合时，如图2所示。在此状态下，电感器由电路的交流侧通过整流器供电，因此电感器电流将增加。同时，二极管D pfc变为反向偏置（因为其阳极通过S 1连接到地），并且通过电容器向负载提供能量。
两种状态之间的循环是在至少数十 kHz 的高频下完成的，但通常比该频率高一个数量级（甚至更多）。状态之间的来回循环是快速完成的，并且以既保持恒定输出电压又控制平均电感器电流（以及随后的平均交流电流）的方式进行。
由于电感器电流在状态 1 中增加并在状态 2 中减少，因此占空比决定了电感器电流增加的时间量与电感器电流减少的时间量。因此，通过改变占空比，可以调整平均电感器电流。通过使平均电流跟踪预期电流，您可以显着改善功率因数和总谐波失真 (THD)。 对于理想系统，预期的电感器电流将是整流正弦波，预期的交流输入电流将是正弦波。由于系统的开关特性以及难以完美跟踪预期电流，交流输入电流 (I ac ) 不会是理想的正弦波，电感电流 (I (L) ) 也不会是理想的正弦波。整流正弦波，但看起来像这样：
放大电感器电流可以发现，当系统在两种状态之间切换时，电感器电流会反复增加和减少。
需要闭环控制来确保输出电压保持不变，并且交流电流为正弦波且与交流电压同相。描述控制系统的设计方式超出了本文的范围，但图 6 为您提供了整个系统的总体概念；它显示了带有控制器块的升压 PFC 电路，该控制器块接受四个输入并生成应用于 S 1栅极的脉宽调制 (PWM) 输出。
测量输出电压 (V dc )，以确保其保持在参考电平 (V ref )
测量交流电压，为电感电流提供参考
测量平均电感电流以确保其跟踪整流交流电压
控制系统通常是PI 或 PID 控制系统，可确保参考信号和所需信号之间的差异尽可能小。
成功设计的结果是改善功率因数和 THD，以及稳定的输出电压。升压 PFC 转换器的交流电压和电流如图 7 所示。
您可以看到电流和电压接近同相，并且电流呈大致正弦形状，失真最小。
对该系统的分析表明，功率因数略低于0.99，THD约为10%。这些数字表明电能质量相当好，足以满足IEC 61000-3-2的谐波电流要求以及Energy Star 80 Plus的功率因数要求。
单个电源的总体影响并不大，但当您考虑使用数百万个此类电源时，这些电源对电能质量的综合影响可能很大。我们可以通过使用包含功率因数校正电路的电源来改善这种情况，从而提高功率因数并减少谐波电流。升压功率因数校正转换器是一种可以添加到电源中以显着提高电源质量的电路。
功率因数和功率因数校正
一种类型的功率因数校正 (PFC) 涉及无源校正，其中通过添加将使用相等但相反量的无功功率的组件来补偿系统的无功功率。例如，如果负载为无功功率为 1.754 kVAR 的感性负载，则系统将需要无功功率为 1.754 kVAR 的容性负载来对抗电感。
实现这种功率因数校正的一种方法是使用大量电容器，可以在需要时切换到电路中。这种类型的功率因数校正非常适合大规模的线性负载，其中功率因数校正系统的成本可以由整个系统的尺寸和成本来吸收。
在较小的规模上（例如，单独的电源）功率因数也很重要。这很重要，不是因为任何单个电源都会对系统产生很大影响，而是因为电源数量太多。更具挑战性的是，这些电源是非线性负载，因此不能通过简单地添加电抗元件（即电容器或电感器）来校正功率因数。
为了确保电子设备不会对电网的功率因数产生显着的累积影响，EN61000-3-2和Energy Star 80 Plus等国际标准对电源引入的功率因数下降和谐波失真设置了限制。
之前的一篇文章表明，简单的无源滤波器不足以充分改善功率因数或谐波失真。相反，我们必须使用有源功率因数电路来强制交流电流跟踪交流电压。
升压功率因数校正转换器
最常见的有源 PFC 电路之一称为升压 PFC 转换器，这是一种相对简单且成本低廉的电路。除了线性 AC-DC 转换器中使用的元件之外，唯一需要的额外元件是开关（通常是 FET）、二极管和电感器。 下图 1 显示了升压 PFC 转换器。可以看到，它本质上是一个线性电源，在整流器和滤波电容之间插入了升压转换器。
图 1.升压 PFC 转换器电路
升压 PFC 转换器的总体目标是以变化的占空比快速关闭和打开开关 (S 1 )，以使输入电流 (i ac ) 呈正弦波且与输入电压 (vac )同相。升压 PFC 转换器操作
升压 PFC 电路在两种状态之间快速循环。第一种状态发生在S1闭合时，如图2所示。在此状态下，电感器由电路的交流侧通过整流器供电，因此电感器电流将增加。同时，二极管D pfc变为反向偏置（因为其阳极通过S 1连接到地），并且通过电容器向负载提供能量。
图 2.开关 (S 1 ) 闭合时的升压 PFC 转换器
图 3 显示了第二种状态，该状态发生在 S1断开时。在这种状态下，电感器断电（电流减小），因为它向负载提供能量并对电容器再充电。 图 3.开关 (S 1 ) 打开的升压 PFC 转换器
（请注意，图 2 和图 3 均仅显示输入电压周期的正半部分。负半部分是相同的，只是电流会流过整流器的其他两个二极管。）两种状态之间的循环是在至少数十 kHz 的高频下完成的，但通常比该频率高一个数量级（甚至更多）。状态之间的来回循环是快速完成的，并且以既保持恒定输出电压又控制平均电感器电流（以及随后的平均交流电流）的方式进行。
由于电感器电流在状态 1 中增加并在状态 2 中减少，因此占空比决定了电感器电流增加的时间量与电感器电流减少的时间量。因此，通过改变占空比，可以调整平均电感器电流。通过使平均电流跟踪预期电流，您可以显着改善功率因数和总谐波失真 (THD)。 对于理想系统，预期的电感器电流将是整流正弦波，预期的交流输入电流将是正弦波。由于系统的开关特性以及难以完美跟踪预期电流，交流输入电流 (I ac ) 不会是理想的正弦波，电感电流 (I (L) ) 也不会是理想的正弦波。整流正弦波，但看起来像这样：
图 4.升压 PFC 转换器的交流电流和电感器电流
这些电流是它们应有的一般形状（正弦波/整流正弦波），但值得注意的一件事是信号线看起来很粗。出现这种厚度的原因是，在一个周期内，随着平均电流被控制以跟踪参考正弦电压，电流先斜坡上升，然后斜坡下降。放大电感器电流可以发现，当系统在两种状态之间切换时，电感器电流会反复增加和减少。
升压 PFC 转换器的电感电流的半个周期
图 5.升压 PFC 转换器中电感器电流的放大视图
升压 PFC 控制系统需要闭环控制来确保输出电压保持不变，并且交流电流为正弦波且与交流电压同相。描述控制系统的设计方式超出了本文的范围，但图 6 为您提供了整个系统的总体概念；它显示了带有控制器块的升压 PFC 电路，该控制器块接受四个输入并生成应用于 S 1栅极的脉宽调制 (PWM) 输出。
图 6.具有控制系统的升压 PFC 转换器电路
图 6 所示的控制系统需要三件事：测量输出电压 (V dc )，以确保其保持在参考电平 (V ref )
测量交流电压，为电感电流提供参考
测量平均电感电流以确保其跟踪整流交流电压
控制系统通常是PI 或 PID 控制系统，可确保参考信号和所需信号之间的差异尽可能小。
成功设计的结果是改善功率因数和 THD，以及稳定的输出电压。升压 PFC 转换器的交流电压和电流如图 7 所示。
功率因数校正后的交流电压和电流
图 7.交流电压和电流您可以看到电流和电压接近同相，并且电流呈大致正弦形状，失真最小。
对该系统的分析表明，功率因数略低于0.99，THD约为10%。这些数字表明电能质量相当好，足以满足IEC 61000-3-2的谐波电流要求以及Energy Star 80 Plus的功率因数要求。
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