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功率因数校正在走向低端电源

发布时间:2000年11月8日 点击次数:1376
来源:   作者:Taiyo Yuden公司Tom Brooks和Joe Ferris
 
功率因数校正(Power Factor Correction——PFC)依然是电源制造商和设计工程师们所面临的最重要的课题之一。由于美国国家电气规范允许功率因数问题可以通过变压器、大型无磁元件和其他补救性措施给予一定程度的解决,现在许多美国人认为功率因数校正并不是必要的。然而这种态度正在改变。

 

---- 这个转变的原因是,出口(尤其是欧共体)标准要求功率必须于负载处在电源自己内部得以校正。在美国国内,一般300到400W以上功率的电源才有PFC,这样的投入才会得到较好回报。然而,由于技术的新进展及现有技术的创新应用,PFC正在走进一度认为得不偿失的低端电源应用之中。

令人困惑的法规

---- EN61000-3-2,这个替代IEC 555-2标准、关于输入谐波电流辐射的欧洲标准自从它制订的那一天起就漂乎不定。该法规不断更改内容和生效日期,使美国和其他国家的人们都十分迷茫。供应商和设计者搞不清这个全面的法规最后会是个什么样子,也不知道它何时生效,以及应该额外做些什么才能符合它的要求。

---- EN61000-3-2现在适用于所有家用电器的电源,2001年1月将适用于75~1000W商业级电源。包括小到50W电源的法规可能在2005年1月生效。

---- 500W以上的电源制造商并未坐待这些法规的确定,他们已经把PFC设计进去了。然而,在价格更为敏感的领域,许多设计者已决定目前放弃PFC,他们说,从经济角度考虑,短暂的产品寿命是不采用符合EN61000-3-2标准电源的主要理由,除非到了非用不可的那一天。

技术问题

---- 在低端电源中实施PFC有主动或被动两种方式。一般来说,75W以下采用被动或单级主动PFC较好,75到200W选择单级主动方式,而200W以上采用两级主动则最佳。

---- 被动PFC使用电感器、电容器和其他无源元件,是低功率、价格敏感电源的理想之选。被动方式可靠、便宜且高效,但与主动PFC方式相比则又重又大,而后者则由于出色的性能赢得越来越多的青睐。

---- 主动PFC既可通过双级也可通过单级技术来实现。单级PFC(见图1)现在看来在15W以下很有潜力。在这个功率范围内获得低电流和高电压非常容易,难的是设计出低输出电压和高输出电流的转换器,效率要求与高电压的器件几乎一样,并在85~265Vac整个范围内都能工作。

 

---- 不幸的是,大多数现有的单级PFC技术需要高成本、高电压的元件。我们的目标是实现在450V以下电压工作,这个范围内的元件成本和供货时间可以接受。工作电压小于450V同时又能在宽输入电压范围内输出高电流、低电压的电路技术已见端倪。不过,这些技术大部分都过于昂贵、过于复杂,或性能不佳。

---- 对于单级PFC,输出和输入电容的电压都必须得到控制,这就意味着从一个单独的开关产生能量为电容充电到足够高的水平并保持在这个水平,这样谐波就会低于国际标准。需要某种调节措施使输出电压在负载下降、输入电压上升时不至过高。

---- 双级PFC解决了这一问题,它用单独的控制回路为功率因数和输出提供升压。相比之下,单级PFC技术意味着把两个回路集成到一个控制器当中。

---- 大多数双级技术都采用一个串联电流成形器,强制输入电流成为正弦波形。虽然这一技术可获得很好的功率因数校正,但控制和供电两个回路的使用增加了系统成本和复杂程度。还有,升压电路必须设计成串联,这就要求电源要应付整个负载。

主动滤波

---- 主动功率滤波是一种不同的双级转换技术,它采用谐波注入来获得PFC。对于被动PFC,因为升压电路和单级转换器与交流线路串联,所以它们必须处理所有功率。主动功率滤波则不然,它是与线路并联(见图2)。通过测量线路上的谐波失真,它注入电流以消除电抗性负载。

---- 这种主动滤波技术已经在高功率三相系统中使用了多年,但使用在低水平电源系统之中却十分新鲜。它有几点优势。一个优点是,它提供了在使用几个小电源的并可能包含马达、感性负载等可变负载的复杂系统中设计PFC的另一种方法。主动功率滤波器与系统的前端并联,并直接用交流线路驱动所有负载。

---- 并联PFC技术与串联校正器相比除了具有更好的固有可靠性之外,它要求的功率也更小。例如,在一个1000W功率的系统内,串联PFC校正器要做得足够处理所有组合负载。主动功率滤波由于是与线路并联,它在同一个1000W功率系统内只需校正15%的谐波。因而,150W的校正器就足够胜任了。很明显,当很小的转换器就能校正非常大的负载时,其经济性当然极具吸引力。

---- 先期评估表明,对一个单独的开关电源来说,主动功率滤波也许不是我们应走的路,因为效率相当低(单个200W功率电源约85%)。但在多电源和多负载的情形下,主动功率滤波变得十分诱人,它是快速而轻易地满足EN61000-3-2标准的捷径。

---- 考虑一个含有5个电源的典型机柜系统。所有电流都合在一起,现在需要注入一个较小百分比的电流。在三或四个不同负载共存的情况下,谐波校正电源现在的效率是96%至97%,结果节约效果显著并完全符合EN61000-3-2。


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