适配器的功率因数校正电路

  适配器以其效率高､功率密度高而在电源领域中占主导地位,但传统的适配器存在一个致命的弱点:功率因数低,一般为0.45~0.75,而且其无功分量基本上为高次谐波,其中三次谐波幅度约为基波幅度的95%,五次谐波幅度约为基波幅度的70%,七次谐波幅度约为基波幅度的45%,九次谐波幅度约为基波幅度的25%｡高次谐波的危害在很多文献中已有论述,在此不再赘述｡针对高次谐波的危害,从1992年起国际上开始以立法的形式限制高次谐波,传统的适配器形式在限制之列｡国外在此以前即开始改善适配器功率因数的工作,主要是功率因数校正电路和诸多的控制IC(如UC3842~UC3855A系列,KA7524,TDA4814等)｡国内一些厂家也做了类似的工作,使适配器的功率因数达0.95~0.99,近似于1｡

5.1功率因数校正电路

  5.1.1功率因数校正原理

  常规桌上型电源适配器的功率因数低的根源是整流电路后的滤波电容使输出电压平滑,但却使输入电流变为尖脉冲(如图5-1所示),而整流电路后面不加滤波电路,仅为电阻性负载时,输入电流即为正弦波,并且与电源电压同相位,功率因数为1｡于是功率因数校正电路的基本思想是将整流器与滤波电容隔开,使整流电路由电容性负载变为电阻性负载｡在功率因数校正电路中,其隔离型电路如图5-2所示｡其基本原理在已有很多文献中论述,在此不再赘述｡但这种电路结构不能实现输入与输出的电隔离｡为此提出单极正弦波输入电流与电网隔离型适配器｡

 图5-1常规适配器输入电压与输入电流波形                图5-2基本隔离型PFC电路

  1.高次谐波及功率因数校正

一般适配器输入市电经整流后对电容充电,其输入电流波形为不连续的脉冲｡这种电流除了基波分量外,还含有大量的谐波｡其有效值I为：

式中:I1,l2……,I｡分别表示输入电流的基波分量与各次谐波分量

  谐波电流使电力系统的电压波形发生畸变,我们将各次谐波有效值与基波有效值的比称为总谐波畸变THD( Total Harmonic Distortion)｡

它用来衡量电网的污染程度｡脉冲状电流使正弦电压波形发生畸变,它对自身及同一系统的其他电子设备产生恶劣的影响,如引起电子设备的误操作,使空调停止工作,引起电话网噪音，引起照明设备的障碍,造成变电站的电容､扼流圈的过热､烧损等。

功率因数定义为PF=有功功率/视在功率,是指被有效利用功率的百分比｡没有被利用的无效功率则在电网与电源设备之间往返流动,不仅增加线路损耗,而且成为污染源。

  设电容输入型电路的输入电压为

输入电流为:

  则有效功率Pac为:

  而视在功率Pap为:

从式(5-2)､式(5-5)可见,抑制谐波分量即可达到减小THD､提高功率因数的目的｡因此可以说谐波的抑制电路就是功率因数校正电路(实际上有所区别)｡

2. 功率因数校正电路

     有源功率因数校正的概念起源于1980年｡但被重视和推广则在20世纪80年代末期和90年代｡由于欧洲各国和日本相继对适配器装置的输入谐波要求制定了标准,目前有两个标准,它们是IEC555-2和IEC1000-3-2,使得研究PFC技术已成为电源界的热点,综观PFC技术的发展,PFC技术可划分为两大类:一类是无源PFC技术;另一类是有源PFC技术｡前者采用无源元件来改善输入功率因数,减小电流谐波以满足标准要求,其特点是简单,但体积庞大､笨重,有些场合则无法满足要求;后者是用一个变换器串入整流滤波电路与DC/DC变换器之间,通过特殊的控制强迫输入电流跟随输入电压,反馈输出电压使之稳定,从而使DC/DC变换器的输入实现预稳｡这种方法的特点是控制复杂,但体积大大减小,设计也易优化而进一步提高性能｡目前研究最多的是有源PFC技术｡

      有源PFC的研究已有一段时间,目前最为大家所关注的是下面两类:一是两级PFC技术,二是单级PFC技术｡两级PFC技术通常由一个专门管PFC的前置级和一个DC/DC变换器构成,而这一前置的功率级基本上都是 Boost电路｡单级PFC一开始是在两级方法简化的基础上再另辟途径进行专门研究｡