第10章电力电子技术的应用..ppt

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1、电力电子技术电力电子技术第第1010章电力电子技术的应用章电力电子技术的应用 10.1 10.1 晶闸管直流电动机系统晶闸管直流电动机系统 10.2 10.2 变频器和交流调速系统变频器和交流调速系统 10.3 10.3 不间断电源不间断电源 10.4 10.4 开关电源开关电源 10.5 10.5 功率因数校正技术功率因数校正技术 10.6 10.6 电力电子技术在电力系统中的应用电力电子技术在电力系统中的应用 10.7 10.7 电力电子技术的其他应用电力电子技术的其他应用 本章小结本章小结 1电力电子技术电力电子技术10.3 不间断电源不间断电源（不间断电源（Uninterruptibl

2、e Power Supply UPS）是当交流输入电源（习）是当交流输入电源（习惯称为市电）发生异常或断电时，还能继续向负载供电，并能保证供电质量，惯称为市电）发生异常或断电时，还能继续向负载供电，并能保证供电质量，使负载供电不受影响的装置。使负载供电不受影响的装置。广义地说，广义地说，UPS包括输出为直流和输出为交流两种情况，目前通常是指输出包括输出为直流和输出为交流两种情况，目前通常是指输出为交流的情况为交流的情况UPS是是恒压恒频（恒压恒频（CVCF）电源）电源中的主要产品之一，广泛应用于中的主要产品之一，广泛应用于各种对交流供电可靠性和供电质量要求高的场合。各种对交流供电可靠性和供电质

3、量要求高的场合。图图10-15 UPS基本结构原理图基本结构原理图UPS的结构原理的结构原理 图图10-15给出了给出了UPS最基本的结构原理最基本的结构原理 基本工作原理是，当市电正常时，由基本工作原理是，当市电正常时，由市电供电，当市电异常乃至停电时，由蓄电市电供电，当市电异常乃至停电时，由蓄电池向逆变器供电，因此从负载侧看，供电不池向逆变器供电，因此从负载侧看，供电不受市电停电的影响；在市电正常时，负载也受市电停电的影响；在市电正常时，负载也可以由逆变器供电，此时负载得到的交流电可以由逆变器供电，此时负载得到的交流电压比市电电压质量高，即使市电发生质量问压比市电电压质量高，即使市电发生质

4、量问题（如电压波动、频率波动、波形畸变和瞬题（如电压波动、频率波动、波形畸变和瞬时停电等）时，也能获得正常的恒压恒频的时停电等）时，也能获得正常的恒压恒频的正弦波交流输出，并且具有稳压、稳频的性正弦波交流输出，并且具有稳压、稳频的性能，因此也称为能，因此也称为稳压稳频电源稳压稳频电源。2电力电子技术电力电子技术10.3 不间断电源图图10-16 具有旁路开关的具有旁路开关的UPS系统系统图图10-17 用柴油发电机作为后备电源的用柴油发电机作为后备电源的UPS为保证市电异常或逆变器故障时负为保证市电异常或逆变器故障时负载供电的切换，实际的载供电的切换，实际的UPS产品中多产品中多数都设置了数都

5、设置了旁路开关旁路开关，如图，如图10-16所所示，市电与逆变器提供的示，市电与逆变器提供的CVCF电源电源由转换开关由转换开关S切换；还需注意的是，切换；还需注意的是，在市电旁路电源与在市电旁路电源与CVCF电源之间切电源之间切换时，必须保证两个电压的相位一致，换时，必须保证两个电压的相位一致，通常采用通常采用锁相同步锁相同步的方法。的方法。在市电断电时由于由蓄电池提供电在市电断电时由于由蓄电池提供电能，供电时间取决于蓄电池容量的大能，供电时间取决于蓄电池容量的大小，有很大的局限性，为了保证长时小，有很大的局限性，为了保证长时间不间断供电，可采用间不间断供电，可采用柴油发电机柴油发电机（简称

6、油机）作为后备电源（简称油机）作为后备电源，如图，如图10-17所示，蓄电池只需作为市电与所示，蓄电池只需作为市电与油机之间的过渡，容量可以比较小。油机之间的过渡，容量可以比较小。3电力电子技术电力电子技术10.3 不间断电源图图10-18 小容量小容量UPS主电路主电路图图10-19 大功率大功率UPS主电路主电路 UPS的主电路结构的主电路结构 容量较小的容量较小的UPS主电路主电路 整流部分使用二极管整流整流部分使用二极管整流器和直流斩波器（用作器和直流斩波器（用作PFC），），可获得较高的可获得较高的交流输入功率因数交流输入功率因数。由于逆变器部分使用由于逆变器部分使用IGBT并采用并

7、采用PWM控制控制，可获得良好的，可获得良好的控制性能。控制性能。使用使用GTO的大容量的大容量UPS主电主电路路 逆变器部分采用逆变器部分采用PWM控制，控制，具有具有调节电压调节电压和和改善波形改善波形的功能。的功能。为减少为减少GTO的开关损耗，的开关损耗，采用采用较低的开关频率较低的开关频率。输出电压中所含的最低次输出电压中所含的最低次谐波为谐波为11次，从而使交流滤波器次，从而使交流滤波器小型化。小型化。4电力电子技术电力电子技术10.4 开关电源 10.4.1 开关电源的结构开关电源的结构 10.4.2 开关电源的控制方式开关电源的控制方式 10.4.3 开关电源的应用开关电源的应

8、用5电力电子技术电力电子技术10.4 开关电源引言在各种电子设备中，需要多路不同电压供电，如数字电路需要在各种电子设备中，需要多路不同电压供电，如数字电路需要5V、3.3V、2.5V等，模拟电路需要等，模拟电路需要12V、15V等，这就需要专门设计电源装置来提供这等，这就需要专门设计电源装置来提供这些电压，通常要求电源装置能达到一定的稳压精度，还要能够提供足够大的些电压，通常要求电源装置能达到一定的稳压精度，还要能够提供足够大的电流。电流。线性电源和开关电源线性电源和开关电源 图图10-20所示为所示为线性电源线性电源，先用工频变压器降压，然后经过整流滤波后，先用工频变压器降压，然后经过整流滤

9、波后，由线性调压得到稳定的输出电压。由线性调压得到稳定的输出电压。图图10-21所示为所示为开关电源开关电源，先整流滤波、后经高频逆变得到高频交流电压，先整流滤波、后经高频逆变得到高频交流电压，然后由高频变压器降压、再整流滤波。然后由高频变压器降压、再整流滤波。开关电源在效率、体积和重量等方面都远远优于线性电源，因此已经基本开关电源在效率、体积和重量等方面都远远优于线性电源，因此已经基本取代了线型电源，成为电子设备供电的主要电源形式。取代了线型电源，成为电子设备供电的主要电源形式。图图10-20 线性电源的基本电路结构线性电源的基本电路结构 图图10-21 半桥型开关电源电路结构半桥型开关电源

10、电路结构 6电力电子技术电力电子技术10.4.1 开关电源的结构图图10-22 开关电源的能量变换过程开关电源的能量变换过程交流输入的开关电源交流输入的开关电源 交流输入、直流输出的开关电源将交流电转换为直流电。交流输入、直流输出的开关电源将交流电转换为直流电。整流电路普遍采用二极管构成的桥式电路，直流侧采用整流电路普遍采用二极管构成的桥式电路，直流侧采用大电容滤波，较为先进的开关电源采用有源的功率因数校正大电容滤波，较为先进的开关电源采用有源的功率因数校正(Power Factor Correction-PFC)电路。电路。高频逆变变压器高频整流电路高频逆变变压器高频整流电路是开关电源的核心

11、部是开关电源的核心部分，具体的电路采用的是隔离型直流直流变流电路。分，具体的电路采用的是隔离型直流直流变流电路。高性能开关电源中普遍采用了高性能开关电源中普遍采用了软开关技术软开关技术。可以采用给高频变压器设计可以采用给高频变压器设计多个二次侧绕组多个二次侧绕组的方法来实的方法来实现不同电压的多组输出，而且这些不同的输出之间是相互隔现不同电压的多组输出，而且这些不同的输出之间是相互隔离的，但是仅能选择离的，但是仅能选择1路作为输出电压反馈，因此也就只有这路作为输出电压反馈，因此也就只有这1路的电压的稳压精度较高，其它路的稳压精度都较低，而且路的电压的稳压精度较高，其它路的稳压精度都较低，而且其

12、中其中1路的负载变化时，其它路的电压也会跟着变化。路的负载变化时，其它路的电压也会跟着变化。图图10-23 多路输多路输出的整流电路出的整流电路 7电力电子技术电力电子技术10.4.1 开关电源的结构直流输入的开关电源直流输入的开关电源 也称为也称为直流直流变换器直流直流变换器(DC-DC Converter)，分为，分为隔离型隔离型和和非隔离型非隔离型，隔离型多采用反激、正激、半桥等隔离型电路，而非隔离型采用隔离型多采用反激、正激、半桥等隔离型电路，而非隔离型采用Buck、Boost、Buck-Boost等电路。等电路。负载点稳压器负载点稳压器(POL-Point Of the Load r

13、egulator)仅仅为仅仅为1个专门的元件（通常是一个大规模集成电路芯片）供电的直流个专门的元件（通常是一个大规模集成电路芯片）供电的直流直流变换器。直流变换器。计算机主板上给计算机主板上给CPU和存储器供电的电源都是典型的和存储器供电的电源都是典型的POL。非隔离的直流直流变换器、尤其是非隔离的直流直流变换器、尤其是POL的输出电压往往较低，为了提高的输出电压往往较低，为了提高效率，经常采用效率，经常采用同步同步Buck(Sync Buck)电路电路，该电路的结构为，该电路的结构为Buck，但二极管，但二极管也采用也采用MOSFET，利用其低导通电阻的特点来降低电路中的通态损耗，其原，利用

14、其低导通电阻的特点来降低电路中的通态损耗，其原理类似同步整流电路。理类似同步整流电路。图图10-24 a)同步降压电路同步降压电路 图图10-24 b)同步升压电路同步升压电路 8电力电子技术电力电子技术10.4.1 开关电源的结构图图10-25 通信电源系统通信电源系统 分布式电源系统分布式电源系统 在通信交换机、巨型计算机等复杂在通信交换机、巨型计算机等复杂的电子装置中，供电的路数太多，总功的电子装置中，供电的路数太多，总功率太大，难以用一个开关电源完成，因率太大，难以用一个开关电源完成，因此出现了此出现了分布式的电源系统分布式的电源系统。如图如图10-25，一次电源完成交流，一次电源完成

15、交流直流的隔离变换，其输出连接到直流母直流的隔离变换，其输出连接到直流母线上，直流母线连接到交换机中每块电线上，直流母线连接到交换机中每块电路板，电路板上都有自己的路板，电路板上都有自己的DC-DC变变换器，将换器，将48V转换为电路所需的各种电转换为电路所需的各种电压；大容量的蓄电池组保证停电的时候压；大容量的蓄电池组保证停电的时候交换机还能正常工作交换机还能正常工作。一次电源采用多个开关电源并联的一次电源采用多个开关电源并联的方案，每个开关电源仅仅承担一部分功方案，每个开关电源仅仅承担一部分功率，并联运行的每个开关电源有时也被率，并联运行的每个开关电源有时也被成称为成称为“模块模块”，当其

16、中个别模块发生，当其中个别模块发生故障时，系统还能够继续运行，这被称故障时，系统还能够继续运行，这被称为为“冗余冗余”。9电力电子技术电力电子技术10.4.2 开关电源的控制方式图图10-26 开关电源的控制系统开关电源的控制系统 图图10-27 电流模式控制系统的结构电流模式控制系统的结构 典型的开关电源控制系统如图典型的开关电源控制系统如图10-26 所示，采用所示，采用反馈控制反馈控制，控，控制器根据误差制器根据误差e来调整控制量来调整控制量vc。电压模式控制电压模式控制 图图10-26 所示即为电压模式所示即为电压模式控制，仅有一个输出控制，仅有一个输出电压反馈控电压反馈控制环制环。其

17、优点是结构简单，但有一其优点是结构简单，但有一个显著的缺点是不能有效的控制个显著的缺点是不能有效的控制电路中的电流。电路中的电流。电流模式控制电流模式控制 在电压反馈环内增加了在电压反馈环内增加了电流电流反馈控制环反馈控制环，电压控制器的输出，电压控制器的输出信号作为电流环的参考信号，给信号作为电流环的参考信号，给这一信号设置限幅，就可以限值这一信号设置限幅，就可以限值电路中的最大电流，达到短路和电路中的最大电流，达到短路和过载保护的目的，还可以实现恒过载保护的目的，还可以实现恒流控制。流控制。10电力电子技术电力电子技术10.4.2 开关电源的控制方式图图10-28 峰值电流模式控制的原理峰

18、值电流模式控制的原理 峰值电流模式控制峰值电流模式控制 峰值电流模式控制系统中电流控制环的结构如图峰值电流模式控制系统中电流控制环的结构如图10-28a所示，主要的波形所示，主要的波形如图如图10-28b所示。所示。基本的原理：开关的开通由基本的原理：开关的开通由时钟时钟CLK信号信号控制，控制，CLK信号每隔一定的时间信号每隔一定的时间就使就使RS触发器触发器置位，使开关开通；开关开通后置位，使开关开通；开关开通后iL上升，当上升，当iL达到电流给定值达到电流给定值iR后，比较器输出信号翻转，并复位后，比较器输出信号翻转，并复位RS触发器，使开关关断。触发器，使开关关断。a)b)11电力电子

19、技术电力电子技术10.4.2 开关电源的控制方式图图10-29 平均电流模式控制的原理平均电流模式控制的原理 a)b)峰值电流模式控制的不足：该方法控峰值电流模式控制的不足：该方法控制电感电流的峰值，而不是电感电流的制电感电流的峰值，而不是电感电流的平均值，且二者之间的差值随着平均值，且二者之间的差值随着M1和和M2的不同而改变，这对很多需要精确控的不同而改变，这对很多需要精确控制电感电流平均值的开关电源来说是不制电感电流平均值的开关电源来说是不能允许的；峰值电流模式控制电路中将能允许的；峰值电流模式控制电路中将电感电流直接与电流给定信号相比较，电感电流直接与电流给定信号相比较，但电感电流中通

20、常含有一些开关过程产但电感电流中通常含有一些开关过程产生的噪声信号，容易生的噪声信号，容易造成比较器的误动造成比较器的误动作作，使电感电流发生不规则的波动。，使电感电流发生不规则的波动。平均电流模式控制平均电流模式控制 平均电流模式控制采用平均电流模式控制采用PI调节器调节器作为作为电流调节器，并将调节器输出的控制量电流调节器，并将调节器输出的控制量uc与锯齿波信号与锯齿波信号uS相比较，得到周期固相比较，得到周期固定、占空比变化的定、占空比变化的PWM信号，用以控信号，用以控制开关的通与断。制开关的通与断。12电力电子技术电力电子技术10.4.3 开关电源的应用 开关电源广泛用于各种电子设备

21、、仪器，以及家电等，如开关电源广泛用于各种电子设备、仪器，以及家电等，如开关电源广泛用于各种电子设备、仪器，以及家电等，如开关电源广泛用于各种电子设备、仪器，以及家电等，如台式计算机和笔记本计算机的电源，电视机、台式计算机和笔记本计算机的电源，电视机、台式计算机和笔记本计算机的电源，电视机、台式计算机和笔记本计算机的电源，电视机、DVDDVD播放播放播放播放机的电源，以及家用空调器、电冰箱的电脑控制电路的机的电源，以及家用空调器、电冰箱的电脑控制电路的机的电源，以及家用空调器、电冰箱的电脑控制电路的机的电源，以及家用空调器、电冰箱的电脑控制电路的电源等，这些电源功率通常仅有几十电源等，这些电源

22、功率通常仅有几十电源等，这些电源功率通常仅有几十电源等，这些电源功率通常仅有几十WW几百几百几百几百WW；手机；手机；手机；手机等移动电子设备的充电器也是开关电源，但功率仅有几等移动电子设备的充电器也是开关电源，但功率仅有几等移动电子设备的充电器也是开关电源，但功率仅有几等移动电子设备的充电器也是开关电源，但功率仅有几WW；通信交换机、巨型计算机等大型设备的电源也是开；通信交换机、巨型计算机等大型设备的电源也是开；通信交换机、巨型计算机等大型设备的电源也是开；通信交换机、巨型计算机等大型设备的电源也是开关电源，但功率较大，可达数关电源，但功率较大，可达数关电源，但功率较大，可达数关电源，但功率

23、较大，可达数kWkW数百数百数百数百kWkW；工业上也；工业上也；工业上也；工业上也大量应用开关电源，如数控机床、自动化流水线中，采大量应用开关电源，如数控机床、自动化流水线中，采大量应用开关电源，如数控机床、自动化流水线中，采大量应用开关电源，如数控机床、自动化流水线中，采用各种规格的开关电源为其控制电路供电。用各种规格的开关电源为其控制电路供电。用各种规格的开关电源为其控制电路供电。用各种规格的开关电源为其控制电路供电。开关电源还可以用于蓄电池充电、电火花加工，电镀、电开关电源还可以用于蓄电池充电、电火花加工，电镀、电开关电源还可以用于蓄电池充电、电火花加工，电镀、电开关电源还可以用于蓄电

24、池充电、电火花加工，电镀、电解等电化学过程等，功率可达几十几百解等电化学过程等，功率可达几十几百解等电化学过程等，功率可达几十几百解等电化学过程等，功率可达几十几百kWkW；在；在；在；在X X光机、光机、光机、光机、微波发射机、雷达等设备中，大量使用的是高压、小电微波发射机、雷达等设备中，大量使用的是高压、小电微波发射机、雷达等设备中，大量使用的是高压、小电微波发射机、雷达等设备中，大量使用的是高压、小电流输出的开关电源。流输出的开关电源。流输出的开关电源。流输出的开关电源。13电力电子技术电力电子技术10.5 功率因数校正技术 10.5.1 功率因数校正电路的基本原理功率因数校正电路的基本

25、原理 10.5.2 单级功率因数校正技术单级功率因数校正技术14电力电子技术电力电子技术10.5 功率因数校正技术引言 以开关电源为代表的各种电力电子装置带来一些负面的问以开关电源为代表的各种电力电子装置带来一些负面的问以开关电源为代表的各种电力电子装置带来一些负面的问以开关电源为代表的各种电力电子装置带来一些负面的问题：输入电流不是正弦波，就涉及到谐波和功率因数的题：输入电流不是正弦波，就涉及到谐波和功率因数的题：输入电流不是正弦波，就涉及到谐波和功率因数的题：输入电流不是正弦波，就涉及到谐波和功率因数的问题。问题。问题。问题。功率因数校正功率因数校正功率因数校正功率因数校正PFC(Powe

26、r Factor Correction)PFC(Power Factor Correction)技术即对技术即对技术即对技术即对电流脉冲的幅度进行抑制，使电流波形尽量接近正弦波电流脉冲的幅度进行抑制，使电流波形尽量接近正弦波电流脉冲的幅度进行抑制，使电流波形尽量接近正弦波电流脉冲的幅度进行抑制，使电流波形尽量接近正弦波的技术，分成无源功率因数校正和有源功率因数校正两的技术，分成无源功率因数校正和有源功率因数校正两的技术，分成无源功率因数校正和有源功率因数校正两的技术，分成无源功率因数校正和有源功率因数校正两种。种。种。种。无源功率因数校正技术通过在二极管整流电路中增加电无源功率因数校正技术通过

27、在二极管整流电路中增加电无源功率因数校正技术通过在二极管整流电路中增加电无源功率因数校正技术通过在二极管整流电路中增加电感、电容等无源元件和二极管元件，对电路中的电流脉感、电容等无源元件和二极管元件，对电路中的电流脉感、电容等无源元件和二极管元件，对电路中的电流脉感、电容等无源元件和二极管元件，对电路中的电流脉冲进行抑制，以降低电流谐波含量，提高功率因数。冲进行抑制，以降低电流谐波含量，提高功率因数。冲进行抑制，以降低电流谐波含量，提高功率因数。冲进行抑制，以降低电流谐波含量，提高功率因数。有源功率因数校正技术采用全控开关器件构成的开关电有源功率因数校正技术采用全控开关器件构成的开关电有源功率

28、因数校正技术采用全控开关器件构成的开关电有源功率因数校正技术采用全控开关器件构成的开关电路对输入电流的波形进行控制，使之成为与电源电压同路对输入电流的波形进行控制，使之成为与电源电压同路对输入电流的波形进行控制，使之成为与电源电压同路对输入电流的波形进行控制，使之成为与电源电压同相的正弦波。相的正弦波。相的正弦波。相的正弦波。15电力电子技术电力电子技术10.5.1 功率因数校正电路的基本原理图图10-30 典型的单相有源典型的单相有源PFC电路及主要原理波形电路及主要原理波形 单相功率因数校正电路的基本原理单相功率因数校正电路的基本原理 实际上是二极管整流电路加上升压型斩波电路构成的。实际上

29、是二极管整流电路加上升压型斩波电路构成的。原理原理 给定信号给定信号 和实际的直流电压和实际的直流电压ud比较后送入比较后送入PI调节器调节器，得到指令信号，得到指令信号id，id和整流后正弦电压相乘得到输入电流的指令信号和整流后正弦电压相乘得到输入电流的指令信号i*，该指令信号和实际电，该指令信号和实际电感电流信号比较后，通过感电流信号比较后，通过滞环滞环对开关器件进行控制，便可使输入直流电流跟踪对开关器件进行控制，便可使输入直流电流跟踪指令值，这样交流侧电流波形将近似成为与交流电压同相的正弦波，跟踪误差指令值，这样交流侧电流波形将近似成为与交流电压同相的正弦波，跟踪误差在由滞环环宽所决定的

30、范围内。在由滞环环宽所决定的范围内。16电力电子技术电力电子技术图图10-30 典型的单相有源典型的单相有源PFC电路及主要原理波形电路及主要原理波形 在升压斩波电路中，只要输入电压不高于输出电压，电在升压斩波电路中，只要输入电压不高于输出电压，电感感L的电流就完全受开关的电流就完全受开关S的通断控制；的通断控制；S通时，通时，iL增长，增长，S断时，断时，iL下降，因此下降，因此控制控制S的占空比按正弦绝对值规律变化，的占空比按正弦绝对值规律变化，且与输入电压同相且与输入电压同相，就可以控制，就可以控制iL波形为正弦绝对值，从波形为正弦绝对值，从而使输入电流的波形为正弦波，且与输入电压同相，

31、输入而使输入电流的波形为正弦波，且与输入电压同相，输入功率因数为功率因数为1。17电力电子技术电力电子技术图图10-31 三相单开关三相单开关PFC电路电路图图10-32 三相单开关三相单开关PFC电路的工作波形电路的工作波形三相功率因数校正电路的基本原理三相功率因数校正电路的基本原理 电路是工作在电流不连续模式的电路是工作在电流不连续模式的升压斩波电路，升压斩波电路，LALC的电流在每个的电流在每个开关周期内都是不连续的；电路中的开关周期内都是不连续的；电路中的二极管都采用二极管都采用快速恢复二极管快速恢复二极管，电路，电路的输出电压高于输入线间电压峰值。的输出电压高于输入线间电压峰值。工作

32、原理工作原理 S开通后，电感电流值均从零开通后，电感电流值均从零开始线性上升（正向或负向），开始线性上升（正向或负向），S关关断后，三相电感电流通过断后，三相电感电流通过D7向负载侧向负载侧流动，并迅速下降到零。流动，并迅速下降到零。在每一个开关周期中，在每一个开关周期中，电感电电感电流是三角形或接近三角形的电流脉冲流是三角形或接近三角形的电流脉冲，其峰值与输入电压成正比；假设其峰值与输入电压成正比；假设S关关断后电流断后电流iA下降很快，下降很快，iA的平均值将的平均值将主要取决于阴影部分的面积，这样主要取决于阴影部分的面积，这样iA平均值与输入电压成正比平均值与输入电压成正比，因此输入，因

33、此输入电流经滤波后将近似为正弦波。电流经滤波后将近似为正弦波。18电力电子技术电力电子技术 在分析中略去了电流波形中非阴影部分，因此实际的电流波形在分析中略去了电流波形中非阴影部分，因此实际的电流波形在分析中略去了电流波形中非阴影部分，因此实际的电流波形在分析中略去了电流波形中非阴影部分，因此实际的电流波形 同正弦波相比有些畸变，如果输出直流电压很高，则开关同正弦波相比有些畸变，如果输出直流电压很高，则开关同正弦波相比有些畸变，如果输出直流电压很高，则开关同正弦波相比有些畸变，如果输出直流电压很高，则开关S S关断关断关断关断 后电流下降就很快，被略去的电流面积就很小，则电流波形同后电流下降就

34、很快，被略去的电流面积就很小，则电流波形同后电流下降就很快，被略去的电流面积就很小，则电流波形同后电流下降就很快，被略去的电流面积就很小，则电流波形同 正弦波的近似程度高，其波形畸变小。正弦波的近似程度高，其波形畸变小。正弦波的近似程度高，其波形畸变小。正弦波的近似程度高，其波形畸变小。该电路工作于电流断续模式，电路中电流峰值高，开关器件的通态损耗该电路工作于电流断续模式，电路中电流峰值高，开关器件的通态损耗该电路工作于电流断续模式，电路中电流峰值高，开关器件的通态损耗该电路工作于电流断续模式，电路中电流峰值高，开关器件的通态损耗和开关损耗都很大，因此适用于和开关损耗都很大，因此适用于和开关损

35、耗都很大，因此适用于和开关损耗都很大，因此适用于36kW36kW的中小功率电源中。的中小功率电源中。的中小功率电源中。的中小功率电源中。图图10-31 三相单开关三相单开关PFC电路电路图图10-32 三相单开关三相单开关PFC电路的工作波形电路的工作波形19电力电子技术电力电子技术 开关电源中采用有源开关电源中采用有源开关电源中采用有源开关电源中采用有源PFCPFC电路带来以下好处电路带来以下好处电路带来以下好处电路带来以下好处 输入功率因数提高，输入谐波电流减小，降低了电源对电网的干扰，输入功率因数提高，输入谐波电流减小，降低了电源对电网的干扰，输入功率因数提高，输入谐波电流减小，降低了电

36、源对电网的干扰，输入功率因数提高，输入谐波电流减小，降低了电源对电网的干扰，满足了现行谐波限制标准。满足了现行谐波限制标准。满足了现行谐波限制标准。满足了现行谐波限制标准。在输入相同有功功率的条件下，输入电流有效值明显减小，降低了在输入相同有功功率的条件下，输入电流有效值明显减小，降低了在输入相同有功功率的条件下，输入电流有效值明显减小，降低了在输入相同有功功率的条件下，输入电流有效值明显减小，降低了对线路、开关、连接件等电流容量的要求。对线路、开关、连接件等电流容量的要求。对线路、开关、连接件等电流容量的要求。对线路、开关、连接件等电流容量的要求。由于有升压斩波电路，电源允许的输入电压范围扩

37、大，能适应世界由于有升压斩波电路，电源允许的输入电压范围扩大，能适应世界由于有升压斩波电路，电源允许的输入电压范围扩大，能适应世界由于有升压斩波电路，电源允许的输入电压范围扩大，能适应世界各国不同的电网电压，极大的提高电源装置的可靠性和灵活性。各国不同的电网电压，极大的提高电源装置的可靠性和灵活性。各国不同的电网电压，极大的提高电源装置的可靠性和灵活性。各国不同的电网电压，极大的提高电源装置的可靠性和灵活性。由于升压斩波电路的稳压作用，整流电路输出电压波动显著减小，由于升压斩波电路的稳压作用，整流电路输出电压波动显著减小，由于升压斩波电路的稳压作用，整流电路输出电压波动显著减小，由于升压斩波电

38、路的稳压作用，整流电路输出电压波动显著减小，使后级使后级使后级使后级DC-DCDC-DC变换电路的工作点保持稳定，有利于提高控制精度和变换电路的工作点保持稳定，有利于提高控制精度和变换电路的工作点保持稳定，有利于提高控制精度和变换电路的工作点保持稳定，有利于提高控制精度和效率。效率。效率。效率。单相有源功率因数校正电路较为简单，仅有单相有源功率因数校正电路较为简单，仅有单相有源功率因数校正电路较为简单，仅有单相有源功率因数校正电路较为简单，仅有1 1个全控开关器件。该电个全控开关器件。该电个全控开关器件。该电个全控开关器件。该电路容易实现，可靠性也较高，因此应用非常广泛；三相有源功率因路容易实

39、现，可靠性也较高，因此应用非常广泛；三相有源功率因路容易实现，可靠性也较高，因此应用非常广泛；三相有源功率因路容易实现，可靠性也较高，因此应用非常广泛；三相有源功率因数校正电路结构和控制较复杂，成本也很高，三相功率因数校正技数校正电路结构和控制较复杂，成本也很高，三相功率因数校正技数校正电路结构和控制较复杂，成本也很高，三相功率因数校正技数校正电路结构和控制较复杂，成本也很高，三相功率因数校正技术的仍是研究的热点。术的仍是研究的热点。术的仍是研究的热点。术的仍是研究的热点。20电力电子技术电力电子技术单级单级单级单级PFCPFC变换器拓扑是将功率因数校正电路中的开关元变换器拓扑是将功率因数校正

40、电路中的开关元变换器拓扑是将功率因数校正电路中的开关元变换器拓扑是将功率因数校正电路中的开关元件与后级件与后级件与后级件与后级DC-DCDC-DC变换器中的开关元件合并和复用，将两变换器中的开关元件合并和复用，将两变换器中的开关元件合并和复用，将两变换器中的开关元件合并和复用，将两部分电路合而为一。部分电路合而为一。部分电路合而为一。部分电路合而为一。单级变换器的优点单级变换器的优点单级变换器的优点单级变换器的优点 开关器件数减少，主电路体积及成本可以降低。开关器件数减少，主电路体积及成本可以降低。开关器件数减少，主电路体积及成本可以降低。开关器件数减少，主电路体积及成本可以降低。控制电路通常

41、只有一个输出电压控制闭环，简化了控制控制电路通常只有一个输出电压控制闭环，简化了控制控制电路通常只有一个输出电压控制闭环，简化了控制控制电路通常只有一个输出电压控制闭环，简化了控制电路。电路。电路。电路。有些单级变换器拓扑中部分输入能量可以直接传递到输有些单级变换器拓扑中部分输入能量可以直接传递到输有些单级变换器拓扑中部分输入能量可以直接传递到输有些单级变换器拓扑中部分输入能量可以直接传递到输出侧，不经过两级变换，所以效率可能高于两级变换器。出侧，不经过两级变换，所以效率可能高于两级变换器。出侧，不经过两级变换，所以效率可能高于两级变换器。出侧，不经过两级变换，所以效率可能高于两级变换器。21

42、电力电子技术电力电子技术图图10-33 典型的典型的boost型单级型单级PFC AC/DC变换器变换器 单级单级PFC变换器变换器 适合于适合于小功率电源小功率电源，以，以单相变换器单相变换器为主，主要性能指标包括：效率、元为主，主要性能指标包括：效率、元件数量、输入电流畸变率等，这些指标在很大程度上取决于件数量、输入电流畸变率等，这些指标在很大程度上取决于电路的拓扑形式电路的拓扑形式。工作原理工作原理 开关在一个开关周期中按照一定的占空比导通，开关导通时，输入电开关在一个开关周期中按照一定的占空比导通，开关导通时，输入电源通过开关给升压电路中的源通过开关给升压电路中的L1储能，同时储能，同

43、时C1通过开关给通过开关给反激变压器反激变压器储能。储能。开关关断时，输入电源与开关关断时，输入电源与L1一起给一起给C1充电，反激变压器同时向副边电充电，反激变压器同时向副边电路释放能量。路释放能量。开关的占空比由输出电压调节器决定，在输入电压及负载一定的情况开关的占空比由输出电压调节器决定，在输入电压及负载一定的情况下，下，C1两端电压在工作过程中基本保持不变，开关的占空比也基本保持不变；两端电压在工作过程中基本保持不变，开关的占空比也基本保持不变；输入功率中的输入功率中的100Hz波动由波动由C1进行平滑滤波。进行平滑滤波。22电力电子技术电力电子技术10.5.2 单级功率因数校正技术

44、单级单级单级单级PFCPFC电路的特点电路的特点电路的特点电路的特点单级单级单级单级PFCPFC电路减少了主电路的开关器件数量，使主电路电路减少了主电路的开关器件数量，使主电路电路减少了主电路的开关器件数量，使主电路电路减少了主电路的开关器件数量，使主电路体积及成本降低。同时控制电路通常只有一个输出电压体积及成本降低。同时控制电路通常只有一个输出电压体积及成本降低。同时控制电路通常只有一个输出电压体积及成本降低。同时控制电路通常只有一个输出电压控制闭环，简化了控制电路控制闭环，简化了控制电路控制闭环，简化了控制电路控制闭环，简化了控制电路 单级单级单级单级PFCPFC变换器减少了元件的数量，但

45、是，单级变换器减少了元件的数量，但是，单级变换器减少了元件的数量，但是，单级变换器减少了元件的数量，但是，单级PFCPFC变变变变换器元件的额定值都比较高，所以单级换器元件的额定值都比较高，所以单级换器元件的额定值都比较高，所以单级换器元件的额定值都比较高，所以单级PFCPFC变换器仅在变换器仅在变换器仅在变换器仅在小功率时整个装置的成本和体积才具有优势，对于大功小功率时整个装置的成本和体积才具有优势，对于大功小功率时整个装置的成本和体积才具有优势，对于大功小功率时整个装置的成本和体积才具有优势，对于大功率场合，两级率场合，两级率场合，两级率场合，两级PFCPFC变换器比较适合。变换器比较适合。变换器比较适合。变换器比较适合。单级单级单级单级PFCPFC变换器的输入电流畸变率明显高于两级变换器，变换器的输入电流畸变率明显高于两级变换器，变换器的输入电流畸变率明显高于两级变换器，变换器的输入电流畸变率明显高于两级变换器，特别是仅采用输出电压控制闭环的特别是仅采用输出电压控制闭环的特别是仅采用输出电压控制闭环的特别是仅采用输出电压控制闭环的BoostBoost型变换器。型变换器。型变换器。型变换器。23