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功率因数校正电路(PFC整流器)

来源:机房360 作者:何元季、刘晓俊 更新时间:2010/11/11 17:28:25

摘要:本文为大家讲述机房制冷的一些技术知识,具体为您讲述功率因数校正电路(PFC整流器)的知识。

  用传统的整流滤波方式难以克服UPS对输入电网的污染,尽管采用12脉冲整流和附加11次滤波器等措施,可把UPS的输入功率因数提高到0.95,把输入电流的谐波成分降到10%以内,但同时又产生了负面效应,包括提高了UPS设备的成本(20%左右)、降低了UPS系统效率、体积和重量有明显的增加以及电路存在着可能发生的谐振问题。特别是对滤波器的设计,通常人们大多把注意力放在UPS满载或接近满载情况下的工作状态,很少有人对滤波器在轻载或空载时的工作状态感兴趣,毕竟UPS在轻载状态下产生的谐波对系统影响要小一些。殊不知,在负载较轻时,无源滤波器会明显地降低输入功率因数,且存在对非滤波器设计频率范围内的高次谐波电压产生振荡的可能性,一旦有振荡现象发生,不仅会对电网造成更大的污染,还会危及UPS设备本身及负载设备的安全。

抑制UPS在输入端产生电流谐波干扰的另一种办法是采用一种高性能整流电路,从消除产生谐波的机制入手,便其具有输入电流谐波含量低、电流为正弦波、输入功率因数高等优点,即功率因数校正电路(PFC),这已经是UPS设备新技术研究的重要方向之一。

单相功率因数校正技术是20世纪80年代中、后期迅速发展并首先在开关电源中使用的新技术。目前在电路拓扑和控制万面已相当成熟。近几年来,UPS厂商已开始把这一技术应用到中小功率的传统双变换UPS设备中去,应用范围正在迅速向扩大功率方向发展。输入功率因数校正原理框图如图所示。

图中的C1,为高频小容量电容器,用以消除开关管高频开关产生传向电网的干扰。C2是大容量直流电解电容器,与一般整流AC/DC变换所不同的是,在桥式整流与大容量直流电容之间加入了PFC电路环节,其目的是使输入电流跟随输入电压按正弦规律同相位变化。PFC环节由电感L、开关管VT和二极管WD和相应的控制电路组成,控制电路接收输入电压波形频率和相位、输入电流波形和数值以及输出直流电压幅值等三个反馈信号,并以PWM方式控制开关管的导通和关断动作。


  
PFC的主电路是一个升压型开关电路(Boost),其工作过程如下:功率开关管VT导通时,二极管VD因反向偏置而截止,输入电压通过开关管VT向电感L充磁,电感电流(即此时的输入电流)几的变化规律直接取决于电感工值和此时的输入电压瞬时值,其增加值则同时与工值、此时刻的输入电压瞬时值及开关管导通时间有关。开关管VT截止时,由于电感L的续流作用而感应一个电压叠加在输入电压上,该电压的极性是便二极管VD正向导通,电感L将储存的磁能转化为电能流经输入端向电容C2充电并向负载输出,输入电流几在电感能量释放过程中下降,IL下降速率与电感工值、此时刻的输入电压瞬时值,以及负载(即直流电压U2的输出负载)大小有关,其减小值除取决于以上因素外,还与开关管VT的截止时间有关。显然,当输入电压U1以正弦规律变化时,控制电路以PWM方式对开关管VT进行控制,当工作频率足够高(例如15-20kHz)时,输入电流必然是一个与输入电压同相且波形相同的正弦波。

图仅仅是具有功率因数校正功能的电路形式之一,实际上降压式、升一降压式、反激式等开关电路都有输入功率因数校正功能。控制方式则有平均电流型、滞后电流型、峰值电流型、电压控制型等。

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