1、现代电源技术现代电源技术第四章 高频开关电源（续）4.5 功率因数校正n传统的桥式整流、电容滤波电路会使AC输入电流产生严重的波形畸变，向电网注入大量的高次谐波，因此网侧的功率因数不高，仅有0.6左右，并对电网和其它电气设备造成严重谐波污染与干扰。+CUou1i1uott1t2i1tt1t2n功率因数功率因数PF(Power Factor)n主要用来表征电子产品对电能的利用效率。功率因数越高，说明电能的利用效率越高。nPF是电气设备的一项重要技术指标n功率因数校正功率因数校正PFC（Power Factor Correction）nCCC认证：都必须增加PFC电路。在欧盟销售功率大于75KW的
2、电气设备需满足欧洲技术标准EN6100-3-2(IEC 61000-3-2)1，功率因数的定义，功率因数的定义n功率因数PF（Power Factor）是指交流输入有功功率P与视在功率S的比值。g ：电流的波形失真系数（基波因数）。IRMS：电网电流有效值 I1：基波电流有效值 U1：电网电压有效值 coscosj j：基波电流与基波电压的相移因数jgjjcoscoscos1111RMSRMSIIIUIUSPPF影响PF的两个因数：Cosj j ：相移j j 与用电设备无功功率有关 g：与谐波电流有关jgcosPF223222111nrmsIIIIIII g控制输入谐波电流有助于改善电路的功率
3、因数、减小对电网的谐波污染n一般整流滤波电路存在问题+CUou1i1uott1t2i1tt1t21，使用非线性元件，产生大量谐波电流2，启动时产生浪涌冲击电流，是正常电流的数十倍3，导通角小，形成窄脉冲电流，总谐波失真大2，提高功率因数的主要方法，提高功率因数的主要方法无源滤波器无源功率因数校正无源滤波器无源功率因数校正PPFC：一般采用无源器件L、C组成低通滤波器，将交流输入电流进行相移、整形以提高功率因数。无源PFC的功率因数不是很高，只能达到0.70.8；电路简单，但体积大（工频）L+CUou1i1电力有源滤波器APF(Active Power Filtter)APF利用电力电子逆变器和
4、反馈技术，实时向电网提供负载电流所需的谐波，补偿电网输入电流使之接近正弦波。APF的功率一般较大 有源功率因数校正功率因数校正APFC（Power Factor Correction）在整流器和负载间接入PFC转换器(DC/DC)，利用控制电路强迫输入电流跟踪输入电压波形，即使输入电流正弦化（THD低），并与输入电压同步j）RLu1i1DC/DC控制器Uoi22个控制环：输入电流控制输出电压控制nAPFCRLu1i1DC/DC控制器Uoi2n高于0.99的线路功率因数，并具有低损耗和高可靠等优点；n有源PFC电路可用作辅助电源，而不再需要辅助电源变压器；n输出不随输入电压波动变化，因此可获得高
5、度稳定的输出电压；n有源PFC输出DC电压纹波很小，且呈100Hz/120Hz（工频2倍）的正弦波，因此采用有源PFC的电源不需要采用很大容量的滤波电容。3，有源功率因数校正电路的分类功率因数校正电路的分类n按DC/DC电路结构分：n降压式n升/降压式n反激式n升压式 常用n特点：特点：输入回路的电感适合于电流控制；在输入电压范围内能保持高PF；开关管电压不超过输出电压；开关管与输出共地，控制、驱动简单。RLu1i1Uoi2LCVDS-+-+Xu2UeUREFPWMiREFAR0APFC分类分类n按输入电流的控制原理分：n平均电流型n工作频率固定，输入电流连续n滞环电流型n电流被控制在滞后带内
6、，工作频率可变，n峰值电流型n工作频率可变，电流不连续n电压控制型n工作频率固定，电流不连续4，有源功率因数校正电路工作原理功率因数校正电路工作原理电压控制，电流断续型(DCM)Boost PFCRLu1i1Uoi2LCVDSu2UREFPWM比较放大u1u2ti2i2iptonTnDCM特点特点:n控制电路简单；n不需检测电流n恒开关频率；n但开关管和电感的峰值电流大；n适用于小功率、对功率因数要求不高的场合有源功率因数校正电路工作原理功率因数校正电路工作原理电流控制，电流连续型DCMRLu1i1Uoi2LCVDS-+-+Xu2UeUREFPWMiREFARSi1u1u2iREFi2乘法器的
7、作用：产生正比于正弦电压的电流源稳定输出电压L：适用于电流型控制C移至输出端：保持u2正弦波形；稳压采用滞环电流控制技术的APFCRLu1i1Uoi2LCVDS-+Xu2UeUREFiREFARS电流电流控制器控制器u1iHi2iL电流电流控制器控制器iREFi2控制S电流控制器根据电流控制器根据iREF设定设定iH和和 iL，i2与与 iH和和 iL比比较，控制开关管的通较，控制开关管的通/断。断。特点特点:功率因数高;工作在电感电流连续状态,功率开关电流额定小;易于实现但控制电路复杂,需检测电流变开关频率,输出滤波较复杂采用恒频峰值电流控制技术的APFCRLu1i1UoLCVD-+Xu2U
8、eUREFiREFA电流检测电流检测与变换与变换+-驱动RCPQ时钟发生器时钟发生器D触发器触发器电流取样信号来自功率管的漏极电流iD控制iD的峰值电流波形iREFiD特点特点:恒开关频率,滤波简单;跟踪法，易于实现但难以实现外部谐波补偿;电源电压过零时电流失真大采用变频峰值电流控制技术的APFCRLu1i1UoLCVD-+Xu2UUREFiREFA+-驱动RS QRS触发器触发器iL+-电流检测电流检测与变换与变换iREFiLU临界连续模式CRM采用平均电流控制技术的APFC 电流误差放大器PWM比较器工作原理n在Boost PFC电路中，Q管导通，L贮能，通过电感的电流IL增加，而Q管截止
9、时，二极管D导通，电容C充电，流过电感电流IL减小。这样使电感电路中电流IL可跟踪基准信号波形。即IL的平均值I与整流后的电压波形接近同相。特点特点:功率因数高,可达0.99恒开关频率,滤波简单;工作在电感电流连续状态,功率开关电流额定小;能抑制开关噪声,但控制电路复杂,需检测电流5，PFC集成控制电路APFC技术已趋成熟，有多种APFC集成控制电路芯片Unitrode公司的 UC3854:平均电流控制方式的Boost PFC控制器 UC3855:平均电流控制方式的ZVT Boost PFC控制器ST公司的L6561变频峰值电流控制方式的PFC控制器UC3854n内部电路包括：电压放大器VA、
10、乘法器M、电流放大器CA、OSC、MOS驱动、软启动、过电流保护VAMCA软启动软启动过电流过电流UC3854应用L6561n内部电路：电压放大器VA、乘法器M、电流过零检测、MOS驱动、过压保护、欠压保护电流过零检测电流过零检测欠压保护欠压保护过压保护过压保护MVAnL6561典型应用4.6 高频开关电源控制/驱动电路n一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定。n另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。整流PFCDC/DC低通滤波控制控制/驱动驱动控制控制/驱动驱动AC/DC开关电源结构：控制电路
11、的任务：控制电路的任务：驱动电路：将控制信号转换成驱动信号，保证开关器件正常导通/关断高频开关电源电路常用的开关器件：MOSFET和IGBTMOSFET和IGBT驱动电路MOSFET和IGBT对驱动电路的要求：栅源间、栅射间有数千皮法的电容，为快速建立驱动电压（前沿要陡），要求驱动电路输出电阻小 足够的UGS。使MOSFET开通的驱动电压一般1015V，使IGBT开通的驱动电压一般15 20V 关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取-5 -15V）有利于减小关断时间和关断损耗常用的驱动方法1，集成电路直接驱动GDCGSS控制芯片R1R2R1:限流电阻，减小尖峰干扰R2：静态放电电阻nIR210
12、3半桥驱动电路高位自举式驱动，电压达600V；内部有死区控制，高低位直通保护。输入/输出逻辑n2，加入功率放大级驱动GDSR1R2R2n3，变压器耦合驱动DSR1R2DSR1R2n4，光耦合驱动A+-MOSFET20V20VuiR1R3R5R4R2RGV1V2V3C1-VCC+VCCRGV1D16451932140V20VEXB840过电流保护AC1R1C2V2IGBT双绞线过电流保护输出驱动信号15PWM控制器 PWM集成控制芯片：除产生PWM信号外，具有保护等多种功能urucPWM比较器比较器PWM控制信号的生成：软件、硬件PWM控制器 用于PWM控制的集成控制芯片有很多，不同厂家生产的芯
13、片只要型号相同，其结构和基本性能相似。芯片有单路输出，也有双路输出，用于逆变控制系统的芯片需要相位相反的双路输出TL494：有两种可选方式的双路输出(OC)SG3525TL494的的内部结构内部结构基本组成：基准电压产生电路振荡器误差放大器PWM比较器脉冲合成和输出驱动管死区时间控制电路n锯齿波生成和PWM频率OSCRTCTCT振荡器振荡频率：TTCRf1.1nPWM生成和输出控制两种输出方式由13端控制：Q1、Q2同相Q1、Q2反相脉冲宽度调节：3、4 端控制n误差放大器 调节器两个误差放大器分别用于电压调整和电流限流_+实际值设置值n死区时间控制作用：限制脉冲宽度；可用于闭锁控制软启动死区
14、时间控制REFDTCREFDTCDTC和ACK 对脉宽的控制4.7 高频开关电源的电磁兼容性n所谓电磁兼容EMC（Electromagnetic Compatibility）是指各种设备在共同的电磁环境中能正常工作的共存状态。设备不产生超过规定限度的，即环境中其它设备不能够承受的电磁干扰 设备具有抵抗电磁干扰的能力包含：骚扰（disturbance）和抗扰（immunity）EMCn电磁环境在恶化n重视EMC电子设备人类自身3C认证对电子产品的EMC有详细规定EMCn电磁兼容技术是解决电磁干扰相关问题的一门技术n电子产品的电磁兼容性设计：设法抑制或消除电磁干扰，提高电子产品在电磁环境中的工作稳
15、定性和可靠性。一、电磁干扰EMI（Electromagnetic Interference）任何可能使电子设备性能下降、失效，或对生命体产生损害的电磁现象电磁干扰以电磁辐射载流导体传输形式出现辐射干扰传导干扰电磁干扰的三要素：电磁干扰源耦合通路对电磁干扰敏感的电子装置（受体）n电磁干扰源自然干扰自然界产生的:雷击、宇宙射线、静电等特点：发生源不可控人为干扰电子设备有意、无意产生的如：广播、电视无线电电磁波、通信等；电气设备中开关操作等引起电压电流的快速变化形成电磁辐射干扰n电磁干扰按噪声干扰源种类分尖峰干扰尖峰干扰谐波干扰谐波干扰n电源是电子设备必有的一部分，也是电磁干扰的主要干扰源和接受体。
16、二、开关电源的电磁干扰及对策开关电源中由功率开关管的高频开关工作产生的高频电流通过变压器、导线等部件形成电磁辐射干扰；开关电源工作时产生的谐波通过电源线产生传导干扰开关电源是很强的电磁干扰源对策n开关电源的内部电路一般采用滤波、屏蔽、接地、合理布局，选择电磁兼容性能更好的元件和电路n在安装开关电源时，注意输入线路和输出线路的隔离、输出线绞合或平行配线、机架地线与信号地线分开n配置必要的输入浪涌抑制等等。对策1，抑制高频开关变压器噪声采用RCD网络（抑制电路）限制高频开关变压器产生的电压过冲减小漏磁场引起的辐射干扰：屏蔽；磁芯形状、绕组紧密排列2，合理进行电路板PCB的设计减小电路产生的电磁辐射
17、；减小对外界干扰的敏感性；减小电路之间的相互干扰。合理布局：模拟电路、数字电路分开布线；功率电路、控制电路分开布线；高频、大电流连线越短越好；电源线、地线的布线应短、直、粗 3，电路的隔离阻断传导干扰的传播途径阻断传导干扰的传播途径变压器隔离交流信号：线性（光电耦合）隔离器直流信号：光电耦合隔离数字信号：脉冲变压器4，屏蔽限制向外辐射电磁能；阻止外来辐射电磁能的进入电场屏蔽磁场屏蔽电磁场屏蔽机箱屏蔽区域屏蔽屏蔽材料：高电导率材料高磁导率材料5，接地地线电位是整个电路工作的基准电位。很多电磁干扰问题是由地线产生的良好的接地可以消除噪声的产生，减小电磁干扰的作用。常用的接地方法：常用的接地方法：浮
18、地、单点接地、多点接地电路1电路2电路3浮地多点接地电路1电路2电路3单点接地电路1电路2电路3就近接地，地线短；高频下效果好电路地与公共地隔离；不同电位的电路配合容易；需避免静电放电简单；地线长；电路间通过地线相互影响n地线应注意：地线应注意：n公用地线截面积应尽量大些，以减小地线公用地线截面积应尽量大些，以减小地线的内阻，的内阻，n应把电流最大的电路放在距电源的接地点应把电流最大的电路放在距电源的接地点最近的地方最近的地方n当频率较高时，应采取大面积的地线当频率较高时，应采取大面积的地线6，滤波抑制传导电磁干扰电子设备交流电源交流电源差模干扰共模干扰 是低频干扰（1MHz）是高频干扰AC压
19、敏电阻共模滤波差模滤波升压输出有源功率因数校正电路原理图升压输出有源功率因数校正电路原理图RLu1i1控制器Uoi2LCVDS升压输出有源功率因数校正电路升压输出有源功率因数校正电路RLu1i1Uoi2LCVDS-+-+Xu2ueUREFPWMiREFAR0RCD尖峰吸收电路GDSCR主电路及驱动840+VD1VD2LN2N2UoN1i u Ui控制电路16153141312411810912iuTL494765+15VREFTL494的内部结构的内部结构脉冲宽度调节Dead Time Control5-100%DT脉宽调节阈值EXB840内部结构过电流保护A64519321415限制脉宽的波形图限制脉宽的波形图CTDTCACKabcabc=a or bQ1Q20.1V 保证5%的DTCACKIR2103内部结构SG3525半桥驱动C驱动2驱动1VS1VD1VS2VD2驱动4驱动3VS3VD3VS4VD4IR2103逻辑
