开关电源技术应用与维修[杨亚平][电子教案和教学指南]第7章.优秀PPT.ppt

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1、第第7 7章章 功率因数校正电路的应用与维修功率因数校正电路的应用与维修 第第7章章 功率因数校正器的应用与修理功率因数校正器的应用与修理 开关电源以其效率高、功率密度高而在电源领域中占主导地位，但传统的开关电源存在一个致命的弱点：功率因数低，一般为0.450.75左右，而且其无功重量基本上为高次谐波。从1992年起国际上起先以立法的形式限制高次谐波，传统的开关电源亦在在限制之列。为满足IEC1000-3-2家用电器及类似电气设备发出的谐波电流限制等标准要求，开关电源中接受功率因数校正技术势在必行。本章主要讲解并描述功率因数校正电路的类型和基本原理，功率因数校正电路的实际应用以及功率因数校正电

2、路的修理。第第7 7章章 功率因数校正电路的应用与维修功率因数校正电路的应用与维修 7.1 功率因数校正的基本原理功率因数校正的基本原理 7.1.1 电流谐波含量与功率因数校正电流谐波含量与功率因数校正 1.提高开关电源功率因数的意义提高开关电源功率因数的意义 用用电电设设备备的的功功率率因因数数和和输输入入电电源源的的谐谐波波含含量量都都是是供供电电系系统统和和用用电电部部门门极极为为关关切切的的两两项项技技术术指指标标，不不论论是是从从保保证证电电力力系系统统的的平平安安经经济济运运行行，还还是是从从爱爱护护用用电电设设备备以以及及人人身身平平安安来来看看，都都必必需需运运用用低低谐谐波波

3、含含量量、高高功功率率因因数数的的开关电源，这对各方面来说都是特别必要的。开关电源，这对各方面来说都是特别必要的。第第7 7章章 功率因数校正电路的应用与维修功率因数校正电路的应用与维修 2.开关电源输入电流的谐波含量开关电源输入电流的谐波含量 只有在输入沟通电压的峰值旁边，整流二极管才会只有在输入沟通电压的峰值旁边，整流二极管才会导通，它的导通角大约为导通，它的导通角大约为60o，沟通整流滤波电路与输入，沟通整流滤波电路与输入电压、电流波形如图电压、电流波形如图7-1所示。所示。图7-1 沟通整流滤波电路与输入电压、电流波形第第7 7章章 功率因数校正电路的应用与维修功率因数校正电路的应用与

4、维修 3.功率因数与电流谐波的关系 非正弦脉冲电流中含有大量的谐波重量，n次谐波电流与基波电流之比称为n次谐波含有率，(n次谐波含量）。用n次谐波总的电流有效值与基波电流有效值的百分比表示电流总谐波含量，称为总谐波畸变率（THD)，简称总谐波畸变。即 式中In(rma)为n次谐波电流的有效值，有关功率因数PF的表达式为 式中1为基波电流与电压间的相位差，这就是功率因数与THD的关系。第第7 7章章 功率因数校正电路的应用与维修功率因数校正电路的应用与维修 7.1.2 有源功率因数校正的基本原理有源功率因数校正的基本原理 功率因数校正(PFC)技术可分为两大类：一类是无源PFC技术；另一类是有源

5、PFC技术。图7-2 有源功率因数校正基本工作原理图第第7 7章章 功率因数校正电路的应用与维修功率因数校正电路的应用与维修 (a)Vdc与IL (b)Vi与Ii图7-3 功率因数校正电路输入电压及输入电流波形第第7 7章章 功率因数校正电路的应用与维修功率因数校正电路的应用与维修 7.1.3 有源功率因数校正电路的类型有源功率因数校正电路的类型 图7-4 有源功率因数校正电路的主要类型第第7 7章章 功率因数校正电路的应用与维修功率因数校正电路的应用与维修 在开关电源中，以升压型PFC校正电路作为预调整器最为流行。它的主要优点是：(1)能有效地抑制输入电源的电流谐波含量，完全可以达到甚至远远

6、低于谐波电流畸变指标要求；(2)能将系统功率因数提高到几乎等于1的水平，完全能满足世界各国对功率因数和总谐波含量的技术标准要求；(3)能输出低纹波含量的直流电压，能确保开关电源的纹波电压指标；(4)能实现电压宽带输入(85265V)，当输入沟通输入电压在较大的范围内变动时，可得到稳定的直流电压输出；(5)消退了浪涌电压及尖峰电压对电路元件的冲击，提高了开关电源的牢靠性和平安性，延长了开关电源的运用寿命。第第7 7章章 功率因数校正电路的应用与维修功率因数校正电路的应用与维修 7.1.4 有源功率因数校正的限制方法有源功率因数校正的限制方法 1、峰值电流限制法、峰值电流限制法 峰值电流限制法是检

7、测峰值电流限制法是检测PFC电路中的开关电流，接电路中的开关电流，接受恒定的开关电源工作频率，只有稳定的工作频率才能受恒定的开关电源工作频率，只有稳定的工作频率才能有效地、快速地测出峰值电流，并将这一电流有效地、快速地测出峰值电流，并将这一电流“削尖削尖”、均化来限制开关管，进行均化来限制开关管，进行PWM调整，使输入电流波形与调整，使输入电流波形与输入电压保持一样，从而提高功率因数。由于输入电流输入电压保持一样，从而提高功率因数。由于输入电流被被“削尖削尖”，在电路上对输入电流波形须要进行斜率补，在电路上对输入电流波形须要进行斜率补偿。偿。第第7 7章章 功率因数校正电路的应用与维修功率因数

8、校正电路的应用与维修 图7-5 峰值电流限制法的有源功率因数校正电路第第7 7章章 功率因数校正电路的应用与维修功率因数校正电路的应用与维修 图7-6 峰值电流限制法的电感电流波形图第第7 7章章 功率因数校正电路的应用与维修功率因数校正电路的应用与维修 2、滞环电流限制法、滞环电流限制法 滞环电流限制法是检测滞环电流限制法是检测PFC电路中电感上的电流，当电电路中电感上的电流，当电感电流上升达到确定值时，功率开关管起先导通，电感电感电流上升达到确定值时，功率开关管起先导通，电感电流下降到确定值时，功率开关管陡然截止，它的限制方式流下降到确定值时，功率开关管陡然截止，它的限制方式是利用工作频率

9、的变更来限制功率开关管的导通和截止。是利用工作频率的变更来限制功率开关管的导通和截止。一般输出滤波电路按最低工作频率考虑，所以，开关电源一般输出滤波电路按最低工作频率考虑，所以，开关电源的体积和重量是最小的，工作损耗较小。的体积和重量是最小的，工作损耗较小。第第7 7章章 功率因数校正电路的应用与维修功率因数校正电路的应用与维修 图7-7 滞环电流限制法的有源功率因数校正原理图第第7 7章章 功率因数校正电路的应用与维修功率因数校正电路的应用与维修 图7-8 滞环电流限制法的电感电流波形图 图7-9滞环逻辑限制电路 第第7 7章章 功率因数校正电路的应用与维修功率因数校正电路的应用与维修 3、

10、平均电流限制法、平均电流限制法 平平均均电电流流法法是是开开关关电电源源和和电电子子镇镇流流器器中中有有源源功功率率因因数数校校正正用用得得最最多多的的一一种种方方法法。总总谐谐波波含含量量THD值值小小，对对噪噪声声不不敏敏感感，电电感感电电流流峰峰值值与与平平均均值值之之间间的的误误差差小小，具具有有恒恒定定的的工工作作频频率率，可可以以随随意意组组成成各各种种限限制制电电路路，输输出出电电压压可可以以随随意意调调整整。这这种种方方法法的的缺缺点点是是限限制制电电路路比比较较困困难难，须须要要增增加电流误差放大器。加电流误差放大器。第第7 7章章 功率因数校正电路的应用与维修功率因数校正电

11、路的应用与维修 图7-10平均电流限制法有源功率因数校正原理图 图7-11平均电流限制法的电感电流波形图 第第7 7章章 功率因数校正电路的应用与维修功率因数校正电路的应用与维修 7.2 功率因数校正电路的应用功率因数校正电路的应用 7.2.1 由由KA7524构成的峰值电流限制电路构成的峰值电流限制电路 图7-12 由KA7524构成的峰值电流限制PFC电路图 第第7 7章章 功率因数校正电路的应用与维修功率因数校正电路的应用与维修 图7-13 KA7524内部电路框图第第7 7章章 功率因数校正电路的应用与维修功率因数校正电路的应用与维修 (1)升压变换电路 升压变换电路也叫升压电感器。升

12、压变换电路中变压器TR的一次绕组Np是PFC调整器的升压电感Lp，起着峰值电流传递和升压的作用。TR的二次绕组 NS 的作用有二：一是作为零电流检测传感器；二是与电阻R4、整流二极管VD5和电容C3 组成电源滤波整流电路，供应KA7524调制器启动电压。因此TR是PFC升压变换电路中的关键元件之一。第第7 7章章 功率因数校正电路的应用与维修功率因数校正电路的应用与维修 图7-14 升压变换电路电感电流Ip 的波形图第第7 7章章 功率因数校正电路的应用与维修功率因数校正电路的应用与维修 (2)乘法器电路 在电路中，电阻R1、R2是乘法器取压的分压电阻；R11是电流传感电阻；R12、R13是误

13、差放大器偏置电阻。另外，还有补偿网络的C4 和R7、R8 等，这些都是PFC调整器的重要元件，IC1的3脚是乘法器的电压输入端，该脚输入电压的最大值不得超过2V，电容C2的作用是高频滤波，旁路掉输入部分的尖峰电压。KA7524乘法器输入电压VMO的大小，由4脚输出的门限电压确定。开关管VT的源极串接电阻R11，用来检测升压变换电路一次绕组Np的电流，峰值电流通过4脚的门限电压来限制。KA7524的乘法器增益K=0.8，基准电 VREF=2.5 V。第第7 7章章 功率因数校正电路的应用与维修功率因数校正电路的应用与维修 (3)误差放大器 电路中电阻R12、R13是误差放大器的偏置电阻，在保证误

14、差放大器正常工作的前提下，可用来调整输出电压Vo的凹凸。IC1(KA7524)工作在高频时，可以顺当地进行脉冲限制转换，可是在低频下往往对一些低频信号有“丢失”的现象，所以在IC1的反相输入端与误差放大器的输出端之间并接有由C4和R7、R8组成的频率补偿网络，用以防止信号“丢失”和抑制正升压变换电路的输出电压纹波。电阻R7、R8用于改善负载的瞬态响应，要求R8R13。第第7 7章章 功率因数校正电路的应用与维修功率因数校正电路的应用与维修 (4)启动电路 启动电路的元件包括R3和C3。升压电感Lp在输入脉动电压的作用下，在二次绕组中感应出电流Is。升压变换电路的二次绕组Ns的两端电压为15V，

15、此电压通过二极管VD5和电容C3整流滤波后，向IC1的8脚供应12V的直流电压。二次侧脉动电压通过R5向IC1供应3mA的限制电流。R5的阻值为22k,VD5选用快速复原二极管1N4148。R4是限流电阻，其阻值不能太大，否则会引起损耗，使供应IC1的电流不足。启动电阻R3 应保证在最低输入电压VIN(min)下，为IC1 供应足够大的启动电流。第第7 7章章 功率因数校正电路的应用与维修功率因数校正电路的应用与维修 (5)输入、输出电路 C1是PFC电路的输入电容，它的作用是滤除高次谐波，C1选用0.47F/630 V的薄膜电容；电容C6是PFC电路的输出滤波电容，用于滤除脉动沟通成分，使输

16、出电压平滑。C6选用47F/450 V的电解电容。整流二极管VD1VD4的选用要留意两个问题，第一是二极管的最大电流问题。流入每只二极管的电流为正弦波，选用二极管时，应使其额定电流大于平均工作电流的3倍，即IF3IAVE。其次，二极管的最高反向工作电压VRM是二极管工作电压峰值的2倍，即VRM2VIN(max)。VD1VD4可选用1000V/1 A的硅整流二极管1 N4007。第第7 7章章 功率因数校正电路的应用与维修功率因数校正电路的应用与维修 7.2.2 由由UC3854构成的平均电流限制电路构成的平均电流限制电路 UC3854是美国尤尼特鲁德公司生产的单片是美国尤尼特鲁德公司生产的单片

17、集成电路，它是接受固定频率平均电流限制法集成电路，它是接受固定频率平均电流限制法的的PFC限制器，工作于电感电流连续模式。限制器，工作于电感电流连续模式。UC3854内部包括电流放大器、高频振荡器、模内部包括电流放大器、高频振荡器、模拟乘法器除法器、电压放大器、过电流比较拟乘法器除法器、电压放大器、过电流比较器、逻辑电路、低压电压检测器、器、逻辑电路、低压电压检测器、7.5V的电压的电压基准源、基准源、MOSFET栅极驱动器、负载赋能比较栅极驱动器、负载赋能比较器和总线预料试器以及整形电路等。器和总线预料试器以及整形电路等。第第7 7章章 功率因数校正电路的应用与维修功率因数校正电路的应用与维

18、修 图7-15 UC3854的内部结构框图第第7 7章章 功率因数校正电路的应用与维修功率因数校正电路的应用与维修 图7-16 UC3854的引脚排列图第第7 7章章 功率因数校正电路的应用与维修功率因数校正电路的应用与维修 图7-17 由UC3854构成的PFC电路第第7 7章章 功率因数校正电路的应用与维修功率因数校正电路的应用与维修 7.2.3 由由ML4813构成的滞环电流限制电路构成的滞环电流限制电路 ML4813是美国微线公司推出的产品，这种限制器是美国微线公司推出的产品，这种限制器接受接受16脚的封装排列，片内具有振荡器、误差放大器、脚的封装排列，片内具有振荡器、误差放大器、电流

19、限制比较器、电流限制比较器、PWM比较器、过电压比较器、欠电比较器、过电压比较器、欠电压封锁电路等。压封锁电路等。ML4813的的1脚和脚和38脚是脚是-0.35.5 V的模拟电压的模拟电压输入端，驱动输出最大峰值电流达输入端，驱动输出最大峰值电流达1A。启动门限电压。启动门限电压为为16V1V，关断阈值电压为，关断阈值电压为l0V0.5 V，启动电流为，启动电流为0.8mA，电源工作电流为，电源工作电流为20mA,IC振荡器的最大充电振荡器的最大充电电流为电流为5mA。该芯片的功能比一般芯片要强。该芯片的功能比一般芯片要强。第第7 7章章 功率因数校正电路的应用与维修功率因数校正电路的应用与

20、维修 图7-18 ML4813的内部结构及引脚排列图第第7 7章章 功率因数校正电路的应用与维修功率因数校正电路的应用与维修 图7-19 由ML4813构成的反激式PFC电路 第第7 7章章 功率因数校正电路的应用与维修功率因数校正电路的应用与维修 图7-20 反激式PFC输出电压波形图图7-21 反激式PFC电路电感电流波形图第第7 7章章 功率因数校正电路的应用与维修功率因数校正电路的应用与维修 7.2.4 由由FA5331P构成的有源构成的有源PFC电路电路 有有源源PFC限限制制器器FA5331P(M)/FA5332P(M）为为双双极极型型单单片片集集成成电电路路，它它为为设设计计低低

21、输输入入电电流流谐谐波波含含量量和和高高功功率率因因数数的的预预变变换换器器，可可供供应应一一切切所所必必需需的的功功能能。FA5332P(M）与与FA5331P(M）比比较较，在在轻轻负负载载特特性性方方面有重大改进，属于其次代面有重大改进，属于其次代PFC限制器。限制器。FA5331P(M)/FA5332P(M)接接受受16脚脚SOP和和DIP封封装装，其内部结构框图如图其内部结构框图如图7-22 所示。所示。第第7 7章章 功率因数校正电路的应用与维修功率因数校正电路的应用与维修 图7-22 FA5331P(M)/FA5332P(M)内部结构框图第第7 7章章 功率因数校正电路的应用与维

22、修功率因数校正电路的应用与维修 表表7-4 FA5331P(M)/FA5332P(M）的各引脚功能）的各引脚功能引脚号符号功能描述脚号符号功能描述1IFB电流误差放大器输出9VC输出电路电源电压2IIN-误差放大器反相输入10VCCIC电源电压3VDET乘法器输入11CS软启动4OVP过电压保护输入12ON/OFF输出开/关控制输入5VFB电压误差放大器输出13REF参考电压6VIN-误差放大器反相输入14SYNC振荡器同步输入7GND地15CT振荡器定时电容和电阻，8OUT输出16IDET电流误差放大器同相输入第第7 7章章 功率因数校正电路的应用与维修功率因数校正电路的应用与维修 图7-2

23、3 由FA5332P构成的升压式APFC电路原理图第第7 7章章 功率因数校正电路的应用与维修功率因数校正电路的应用与维修 7.2.5 由由TOPSwitch构成的有源构成的有源PFC电路电路 有源功率因数校正（有源功率因数校正（APFC）技术能够实现）技术能够实现各种电源装置电网侧电流正弦化，使电网资源各种电源装置电网侧电流正弦化，使电网资源得到充分利用，可基本上消对电网的高次谐波得到充分利用，可基本上消对电网的高次谐波污染，净化电网。单相有源污染，净化电网。单相有源PFC实现方式有多实现方式有多种多样，较为常见的有用种多样，较为常见的有用UC3854为限制为限制IC的的3 kW以下的电路，

24、但该电路较为困难，外围元件以下的电路，但该电路较为困难，外围元件多，特殊是小功率的应用时。多，特殊是小功率的应用时。第第7 7章章 功率因数校正电路的应用与维修功率因数校正电路的应用与维修 1.TOPSwitch在在PFC中的应用原理中的应用原理 图7-25 由TOPSwitch构成的升压型APFC电路第第7 7章章 功率因数校正电路的应用与维修功率因数校正电路的应用与维修 2TOPSwitch功率因数校正预调整原理功率因数校正预调整原理 TOPSwitch接受恒频可变占空比的限制方式。在整接受恒频可变占空比的限制方式。在整个工作过程中，升压电感上的电流是其上的电流和升压二个工作过程中，升压电

25、感上的电流是其上的电流和升压二极管电流的代数和（极管电流的代数和（IL=IT+ID),TOPSwitch上的电流随上的电流随着整流后的输入电压呈线性关系，平滑后是正弦电流。可着整流后的输入电压呈线性关系，平滑后是正弦电流。可是升压二极管上的电流随着输入电压的上升快速上升，呈是升压二极管上的电流随着输入电压的上升快速上升，呈非线性关系，平滑后不是正弦电流。这样叠加的结果使提非线性关系，平滑后不是正弦电流。这样叠加的结果使提升电感上的电流就不是正弦。因为升压二极管上的电流不升电感上的电流就不是正弦。因为升压二极管上的电流不受控，所以要想改善升压电感上电流波形，就只能通过限受控，所以要想改善升压电感

26、上电流波形，就只能通过限制制IC改善改善TOPSwitch的电流波形，以补偿升压二极管不是的电流波形，以补偿升压二极管不是正弦波的缺陷。这个问题是很多无乘法器的限制电路在升正弦波的缺陷。这个问题是很多无乘法器的限制电路在升压型电路中普遍存在的问题，这些都可以通过预补偿的方压型电路中普遍存在的问题，这些都可以通过预补偿的方式得以改善，改善的关键就是选择合适的预补偿电阻。式得以改善，改善的关键就是选择合适的预补偿电阻。第第7 7章章 功率因数校正电路的应用与维修功率因数校正电路的应用与维修 7.3 功率因数校正电路的修理功率因数校正电路的修理7.3.1有源功率因数校正电路的常见故障有源功率因数校正

27、电路的常见故障1.功率因数校正电路不工作 2.总谐波失真(THD)超过10%3.功率因数校正电路被关断 4.电路输出电压达不到380V7.3.2典型有源功率因数校正电路的检修典型有源功率因数校正电路的检修1电路不工作、无输出电压 2总谐波失真(THD)超过10%3功率因数校正电路被关断第第7 7章章 功率因数校正电路的应用与维修功率因数校正电路的应用与维修 思索题思索题1.提高开关电源功率因数的意义有哪些？提高开关电源功率因数的意义有哪些？2.开关电源为什么会产生较大的电流谐波？开关电源为什么会产生较大的电流谐波？3.简述有源功率因数校正的基本原理。简述有源功率因数校正的基本原理。4.有源有源PFC电路的基本类型和限制方法有哪些？电路的基本类型和限制方法有哪些？5.有源有源PFC电路的常见故障有哪些？电路的常见故障有哪些？6.有源有源PFC电路的电路的THD超标的缘由有哪些？超标的缘由有哪些？