中心議題:
- 功率因數(shù)問題及校正的基本原理
- 大屏幕彩電開關(guān)電源的PF分析
- 大屏幕彩電開關(guān)電源的高頻有源PFC
解決方案:
- 大屏幕彩電開關(guān)電源的高頻有源PFC設(shè)計(jì)
1 前言
提高功率因數(shù)( PF) 是用電設(shè)備節(jié)能的一個(gè)重要因數(shù)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展, 高頻有源功率因數(shù)校正( PFC) 技術(shù)已越來越廣泛地應(yīng)用于各種電源。大屏幕彩電開關(guān)電源的功率在200~ 300W 之間, 原有彩電的開關(guān)電源均采用普通整流加濾波電路, 其諧波電流成分大, 功率因數(shù)值λ低, 一般為0. 65~ 0. 85。本文討論功率因數(shù)問題及其校正的基本原理,分析大屏幕彩電開關(guān)電源的功率因數(shù),并給出校正電路的設(shè)計(jì)方案及試驗(yàn)結(jié)果。為了提高大屏幕彩電的節(jié)電性能, 在設(shè)計(jì)中我們采用了高頻有源PFC 技術(shù), 提高了PF 特性。
2 PF 問題及其校正的基本原理
2. 1 PF 的概念
用電設(shè)備的λ指交流輸入有功功率P 和輸入視在功率S的比值, 即:
可見, λ還可定義為失真因數(shù)與移相因數(shù)的乘積。對開關(guān)電源來說, cos φ一般接近于1,即相移不大, 而諧波電流嚴(yán)重, 失真因數(shù)小。
2. 2 PF 低的危害性
用電設(shè)備的PF 低, 易造成以下危害:①諧波電流嚴(yán)重污染電網(wǎng), 而干擾其它用電設(shè)備;②輸入電流有效值大, 需增加電路和保護(hù)器件的規(guī)格;③供電容量增加, 加大了前級設(shè)備( 如變壓器等) 的定額;④大大增加了中線負(fù)荷, 降低了安全性能。
2. 3 高頻有源PFC的基本原理
高頻有源PFC 是根據(jù)電網(wǎng)的電壓、電流及負(fù)載的變化產(chǎn)生PWM 信號, 控制高頻電子開關(guān)導(dǎo)通的, 可起調(diào)節(jié)電感L 的作用。改善電流波形, 利用乘法器控制PWM 信號, 可使電網(wǎng)的輸入電流基本為正弦波, 使λ接近于1( 即大于0. 99) 。圖1 示出PFC 的原理框圖。
圖1 高頻有源PFC 電路框圖[page]
3 大屏幕彩電開關(guān)電源的PF分析
現(xiàn)有的大屏幕彩電內(nèi)用開關(guān)電源一般采用全橋不可控整流電路直接加電解電容濾波電路。圖2 示出該電路形式。
圖2大屏幕彩電開關(guān)電源原理框圖
圖中,V1 是單相整流橋;C1為吸收電容;R1 是保護(hù)壓敏電阻;R2是熱敏電阻;K為固態(tài)繼電器觸點(diǎn)。
R2 用以限制合閘電流, 當(dāng)輸入濾波電解電容充滿電后, K 閉合, R2 斷接, 電路的交流輸入電壓、電流波形見圖3。由圖3 可見, 只有當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓幅值高于電解電容電壓時(shí), 電流才從電網(wǎng)中抽出, 因而電流諧波成分很大。計(jì)算出這種波形的λ很低, 一般在0. 65~ 0. 85 之間。
圖3 現(xiàn)有大屏幕彩電開關(guān)電源交流輸入電壓電流波形
圖中,uiac為電網(wǎng)電壓波形;uidc 為經(jīng)V1 整流出的波形;uci 為輸入濾波電解電容的電壓波形;i i 為輸入電流波形。
大屏幕彩電開關(guān)電源的輸入功率在300W 左右, 其中1/ 3 ~ 1/ 5 是無功功率, 若采用有源PFC 技術(shù)可使其λ≥0. 99, 即λ≈1, 這樣可節(jié)電60~ 100W, 是相當(dāng)可觀的。
4 大屏幕彩電開關(guān)電源的高頻有源PFC
4. 1 設(shè)計(jì)方案
我們采用升壓式電路來設(shè)計(jì)大屏幕彩電開關(guān)電源的有源PFC 電路, 其控制電路采用平均電流控制方式, 芯片采用UC3854, 具體電路見圖4。它的工作原理是: 根據(jù)輸出電壓、輸出電流和負(fù)載電流, 由UC3854 產(chǎn)生控制脈沖, 控制開關(guān)管導(dǎo)通, 連續(xù)監(jiān)控和調(diào)節(jié)L 中的電流,使之跟隨整流后的單向輸入正弦電壓, 并與其成正比; 此外, 為實(shí)現(xiàn)對輸出直流電壓的調(diào)整,利用乘法器并通過輸入交流電壓和輸出直流來調(diào)控正弦基準(zhǔn)電流, 以完成正確的SPWM, 這也是實(shí)現(xiàn)PFC 的關(guān)鍵。
圖4 UC3854 構(gòu)成PFC 電路的大屏幕彩電開關(guān)電源原理圖[page]
我們設(shè)計(jì)開關(guān)管的工作頻率為50kHz, Rt= 11. 2kΩ , C t= 2. 2nF, 輸入電壓Ui 范圍為220V+ 20%- 30%, 直流電壓Ud = √2Ui, DC/ DC 的輸出功率為250W, 輸入功率為275W, 效率η=91%, 根據(jù)公式計(jì)算校正電感:
4. 2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
我們規(guī)定, 網(wǎng)側(cè)交流電壓為ui, 有效值為Ui; 交流電流為ii, 有效值為Ii; 濾波電解電容上的直流電壓平均值為Ud; DC/ DC 輸入電流的平均值為I d。在輸入線上串一小電阻,用示波器測得其電流波形見圖5。由圖5 可見, ui為正弦, ii 為基本正弦, 在50Hz 波形上有50kHz 的小紋波。i i 與u i 的相位差為100us左右, 所以φ= 1. 8°, cos φ≈0.9995。
圖5 實(shí)測波形
用單相調(diào)壓器調(diào)ui , 再用表測得當(dāng)Ui=220V 時(shí), I i= 1. 25A, Ud = 310V, I d= 0. 85A,UdId/UiIi≈0.958.
因?yàn)殡娍蛊骱烷_關(guān)管也有功耗, 所以總的λ> 0.958, 如果校正電路的效率η= 0.97, 則λ≈0.988?! ?br />
5 結(jié)束語
大屏幕彩電開關(guān)電源采用全波整流直流電解電容濾波時(shí)的λ在0. 65~ 0. 85 之間, 比較低, 而采用PFC 后, 可使λ提高到0.98 以上,每臺彩電可節(jié)電60~ 100W。采用PFC 專用芯片, 可方便地實(shí)現(xiàn)校正電路, 且效果良好, 可靠性也高。