开关电源功率因数校正电路设计与应用实例.pdf

开关电源功率因数校正电路设计与应用实例1.1功率因数定义及校正技术1.1.1功率因数定义及谐波1.1.2功率因数校正技术1.2功率因数校正控制技术1.2.1功率因数校正控制方法1.2.2功率因数校正电路控制器1.2.3功率因数校正技术发展动态第2章功率因数校正电路2.1无源PFC校正技术2.1.1无源PFC电路2.1.2改进型无源PFC电路2.1.3单相无源PFC整流器的电路拓扑2.2有源功率因数校正(APFC)电路2.2.1APFC电路工作原理及分类2.2.2APFC变换器中电流型控制技术2.2.3主频同步控制PFC电路2.2.4输入电流间接控制的APFC电 开关电源功率因数校正电路设计与应用实例》周志敏纪爱华编4化学二业贯版社北京图书在版编目(CIP)数据开关电源功率因数校正电路设计与应用实例/周志敏纪爱华编.一北京:化学工业出版社,2012.7ISBN978-7-122-144133I.①开…Ⅱ.①周…②纪…Ⅲ.①开关电源电路电路设计Ⅳ.①TN43中国版本图书馆CIP数据核字(2012)第113142号责任编辑:宋辉文字编辑:云雷责任校对:蒋宇装帧设计:关飞出版发行:化学工业出版社(北京市东城区青年湖南街13号邮政编码100011)印装刷:北京云浩印刷有限责任公司订:三河市前程装订厂787mnm×1092mm1/16印张15%字数367千字2012年10月北京第1版第1次印刷购书咨询:01064518888(传真:010-64519686)售后服务:010-64518899网址http://www.cip.com.cn凡购买本书,如有缺损质量问题,本社销售中心负责调换。定价:48.00元版权所有违者必究制:::1:x:t!:前言电源是各种电子设备必不可少的组成部分,其性能的优劣直接关系到整个系统的安全性和可靠性。开关电源是目前电子设备中应用最为广泛的一种电源装置,具有损耗低、效率高、电路简洁等显著优点,主要应用在计算机、电子设备、仪器仪表、通信设备和家用电器中随着电子信息产业的高速发展,人们对开关电源的需求与日俱增,开关电源功率因数校正技术已成为提高开关电源效率、减少电网污染的核心技术,开关电源的开发、研制和生产已成为发展前景十分诱人的朝阳产业。随着开关电源的广泛应用,开关电源功率因数校正技术显示出了强大的生命力。为此,本书结合国内外开关电源功率因数校正技术的发展方向,系统地介绍了开关电源功率因数校正技术的原理及典型功率因数校正集成控制器,重点介绍了开关电源功率因数校正电路设计与应用实例。本书从开关电源功率因数校正技术的发展与创新以及新技术在工程设计中的应用等方面,多角度地介绍了开关电源功率因数校正技术的发展和应用。在写作上尽量做到有针对性和实用性,力求做到通俗易懂和结合实际,使得从事开关电源开发、设计、应用和维护的技术人员从中获益。读者可以此为“桥梁”,系统、全面地了解和掌握开关电源功率因数校正电路的设计和最新应用技术。本书由周志敏、纪爱华编写,周纪海、纪达奇、刘建秀、顾发娥、纪达安、纪和平、刘淑芬等同志为本书编写提供了帮助,在此表示衷心的感谢。由于时间仓促,水平有限,难免有不当之处,敬请读者批评指正编者目录第1章概述/11.1功率因数定义及校正技术,鲁鲁6非鲁自1.L.1功率因数定义及谐波………功率因数校正技术81.2功率因数校正控制技术1.2.1功率因数校正控制方法日自意鲁自音………………………………131.2.2功率因数校正电路控制器18功率因数校正技术发展动态22第2章功率因数校正电暗/272.1无源PFC校正技术272.1.1无源PFC电路272.1.2改进型无源PFC电路曹香曹鲁音。··最自自自自自3021.3单相无源PFC整流器的电路拓扑332.2有源功率因数校正(APFC)电路…382.2.1APFC电路工作原理及分类·自垂香。鲁面。世…382.2.2APFC变换器中电流型控制技术…………………402.2.3主频同步控制PFC电路………472.2.4输入电流间接控制的APFC电路492.2.5临界导电模式APFC电路502.2.6DCVM模式工作的Cuk变换器的APFC2.3复合型单开关PFC预调节器及基于 SEPIC的PFC电路582.3.1复合型单开关PFC预调节器582.3.2基于 SEPIO的PFC电路612.4软开关PFC电路672.4.1单相三电平无源无损软开关PFC电路……6724.2单相 Boost型软开关PFC电路2.5单级隔离式PFC…802.5.1单级PFC技术·善非自自非非鲁·鲁自D●802.5.2单级PFC变换器的功率因数校正效果分析……∴…………882.5.3单级PFC电路的直流母线电压902.5.4单级PFC变换器的设计942.5.5基于 Flyboost模块的新型单级PFC电路1002.5.6恒功率控制的单级PFC电路…105第3章功率因数校正电路集成控制器1113.1UC/UCC系列PFC集成控制器………1113.1.1UC3852PFC集成控制器3.1.2UC3854PFC集成控制器…看·面1l43.1.3UC3854A/BPFC集成控制器1193.1.4UCC3858PFC集成控制器…自自鲁鲁■1253.1.5UCCx850x0PFC/PWM组合控制器1293.2TDA系列PFC集成控制器…1333.2.1TDA16888PFC集成控制器…1333.2.2TDA4862PFC集成控制器………1372.3TDA16846PFC集成控制器■看争甲鲁…………1393.3其他系列PFC集成控制器1403.3.1MI4841PFC集成控制器1403.3.2MI4824复合PFC/PWM控制器………1413.3.3FA5331P(M)/FA5332P(M)PFC集成控制器…1433.3.4L4981PFC集成控制器……………………14733.5NCP1650PFC集成控制器1483.3.6HA16141PFC/PWM集成控制器3.3.7MC34262PFC集成控制器………1543.3.8FAN4803PFC集成控制器…1573.3.9CM68/69 KX PFC/PWM集成控制器……159第4章功率因数校正电路设计实例/165实例1基于∪c3852的PFC电路设计实例曹看鲁。165实例2基于UC3845的PFC电路设计实例175实例3基于∪C3854A/的PFC电路设计实例………………178实例4基于UCC28510的PFC电路设计实例…183实例5基于∪cc3858的PFC电路设计实例188实例6基于 TOPSwitch的PFC电路设计实例194实例7基于ML4824的PFC电路设计实例实例8基于TDA16888的PFC电路设计实例鲁春··鲁自鲁音●200实例9基于MC33260的PFC电路设计实例……205实例10基于NCP1650/的PFC电路设计实例220参考文献/236第(章概述[11功率因数定义及校正技术1.1.1功率因数定义及谐波电源设计一直是一个极富挑战性的工作,随着许多传统的难题得以解决,一些有关电源效率的规范和要求的标准将再次展现新的挑战。规范标准的第一个阶段其实已经开始,针对降低待机能耗(低负载状态)方面。下一个阶段的任务将更艰巨,就是提高工作状态下电源的效率。在美国国家环保局“能源之星”计划以及中国中标认证中心(CECP)的推动下,世界各地正在公布有关电源工作效率的新能效标准。这些更有挑战性的标准将需要电源厂商及其供应商(包括半导体供应商)共同努力,提供能符合这些新要求的解决方案。在这些趋势中,IEC1000-3-2标准对功率因数校正(PFC)或降低谐波电流提出强制要求,为此,近年来在电源结构方面发生了较大的变化。随着所有设备的功率不断增大,及降低谐波电流的标准不断普及,越来越多的电源设计已经采用PFC电路。设计人员因此面临这样一个难题,既要在产品中采用合适的PFC电路,也要满足降低待机能耗、提高工作效率和EMI限制等高效指标。功率因数校正解决方案的选择范围包括无源电路到各种有源电路,因应用的功率水平和其他参数的不同,解决方案也会有所不同。近年来随着分立半导体元件的发展和更低价格的控制IC上市,进一步拓宽了有源PFC解决方案的适用范围。在评估PFC解决方案时,重要的是要把整个系统的实施成本和性能结合起来进行综合评估。(1)提高功率因数的意义①提高功率因数是节能的要求功率因数的大小意味着在视在功率相同的情况下,所能提供给负载有功率的大小若将功率因数从0.65提高到0.90,则容量为1000kV·A的发电机可带动功率为10kV学兔兔 ww bzf xw con开关电源功率因数校正电路设计与应用实例A的电动机的台数从65台增加到90台。可见,提高因数能更充分地利用发电机设备的容量。功率因数小,不仅浪费能源,而且使线路上的电流增加,损耗增大,同时还存在火灾隐患②提高因数是提高电能质量,保证电力系统安仝稳定运行的要求近年来,电流波形失真已经继相移因数成为第二个导致功率因数低的主要原因。大量高次谐波电流涌入各级电网,引起公用电网的电压波形发生失真、三相电压不对称及电压的波动和闪变,严重威胁电网和各种用电设备的安全经济运行③提高功率因数是各国限制电网谐波标准的要求我国及国外许多国家均制定、颁发了控制和限制电力系统谐波的标准,其目的主要是为了控制电网中电压和电流波形失真在允许范围内,保护用电设备的安全运行,减少电网污染对通信系统造成的干扰。功率因数校正电路对离线电源的输入电流波形进行整形,以使从电源吸取的有功功率最大化。在理想情况下,电器应该表现为一个纯电阻负载,此时电器吸收的反射功率为零。在这种情况下,本质上不存在输入电流谐波。电流是输入电压(通常是一个正弦波)的完美复制品,而且与其同相。在这种情况下,对于进行所需工作所要求的有功功率而言,从电网电源吸收的电流最小,而且还减小了与配电发电以及相关过程中的基本设备有关的损耗和成本。由于没有谐波,也减小了与使用相同电源供电的其他器件之间的干扰。当今众多电源采用PFC的另一个原因,是为了符合规范要求现在,欧洲的电气设备必须符合欧洲规范EN61000.3.2。这一要求适用于大多数输入功率为75W或以上的电器,而且它规定了包括高达39次谐波在内的工频谐波的最大幅度。虽然美国还没有提出此类要求,但是希望在全球销售产品的电源制造商正在设计符合这一要求的产品。(2)功率因数的定义根据电工学的基本理论,功率因数(PF)可简单地定义为有功功率(P)与视在功率(S)的比值,用公式表示为PFP cOSo1I1 COSoP1aCOS(P1(1-1)R式中,I1为输入电流基波有效值;IR为电网电流有效值,IR√ 12 …十K,其中l1、l2、…KN为各次谐波有效值;U1为输入电压基波有效值;y为输入电流畸变因数,y=I1/IR;cosq1为基波电压与基波电流之间的相移因数在式(1-1)中,有功功率是一个周期内电流和电压瞬时值乘积的平均值,而视在功率是电流的RMS值与电压的RMS值的乘积。如果电流和电压是正弦波而且同相,则功率因数是1.0。如果两者是正弦波但是不同相,则功率因数是相位角的余弦。在电工基础课程中,功率因数往往就是如此定义,但是它仅适用于特定情况,即电流和电压都是纯正弦波。这种情况发生在负载由电阻、电容和电感元件组成,而且均为线性(不随电流和电压变化)的条件下所以功率因数可以定义为输入电流失真系数(y)与相移因数(cosg)的乘积。可见,功率因数由输入电流畸变因数y和基波电压、基波电流和位移因数 COS1决定。尽管电流波形有严重失真,电流和电压仍可以完全同相。应用“相位角余弦”的定