开关电源适配器的功率因数校正

 新闻资讯     |      2019-05-05 09:22
开关电源适配器的功率因数校正
在电源适配器开关调整器领域,任何电路结构使输入电网电流非正弦化,或使输入电网电流是正弦波。但和正弦输入电压相位不同,或使输入电流具有谐波的都会降低功率因数从而产生功率损耗。与负载两端的电压垂直的输入电流分量( l sinx)不向负载提供功率,在输入电源适配器的内部和输入线路的电阻上消耗功率。
对于桥式整流器接电容滤波器的开关电源适配器,输入电网电流是上升和下降很陡的窄脉冲。这些电流脉冲的有效值很高,消耗功率并且产生更多的 RFV/EMI I问题。借用交流电路原理的术语,称这种电源适配器的功率因数较低。功率因数校正电路的作用就是要消除这样的电网电流尖峰,使输入电流成为正弦形状并且和输入电压同相位,而且要得到一个比交流输入电压幅值略高的稳定直流电压。
由图可知,如果没有滤波电容C并且负载是纯电阻,那么电压V将是正弦半波 ABXCDYEH。从整流器整流出来的电流也有相同的正弦半波,且从输入端吸收的电网电流也是正弦波并且和正弦输入电压同相位,功率因数为1。如果输入电压和电流的有效值为V和1,则输入和输出负载功率可表示为V,l
像ABXCDYER图这样的正弦半波输出电压在许多场合是不可用的。整流器的唯一目的是将输入交流电压变换成纹波尽可能小的直流电压,正因为如此,才接入串容C。来产生波形 ABCDEF。这样可以产生较高的直流电压分量(在B和C或D和E的中间)和较低的B-C或C-D的峰一峰值纹波。在B和C或D和E之间,所有整流器二极管都被反偏,没有电网电流流过,负载电流由电容C提供。在A、C和E时刻,上升的输入电压使整流器二极管正向导通,电网电流流过负载并给电容充电,补偿其单独给负载供电时损失的电荷。
选用合适的滤波电容时电网电流波形如图所示,它是输入电压的每个正弦半波前端的一系列电流窄脉冲。滤波电容越大,输入电流的脉冲宽度越窄,上升和下降得更快,峰值越高,有效值越大。
使用功率因数校正技术的目的就是要消除这些窄而陡的电网电流脉冲。这些陡的电流会引起频射干扰(RF1)问题,更严重的是,它的有效值比所需的负载输出功率值要大,这造成滤波电容的温升提高并降低了其可靠性。
 
功率因数
当电压和电流为直流时,我们很熟悉功率的概念,这里V的乘积即为功率。但是,在交流的情况下功率的计算没有那么直接。
交流情况下我们熟悉RMS(平方和的平均值的均方根,即有效值)的概念,HMS是根据任意的电压或电流波形通过电阻产生的热量与直流电压或电流通过该电阻产生的热量相等来定义的。
但是,对于交流输入:输△电压有效值与输人电流有效值的乘积为视在功率,当为纯电阻负载时这也是有功功率。
在正弦电压电流情况下,与负载两端电压垂直的输入电流分量( sina)不向负载提供功率。在交流输入开始的一段时间内,这表现为从输入电源适配器抽取功率并暂时存储在负载的感性器件里,而随后这部分存储的电流或能量回馈到输入电源适配器。这些不向负载提供功率的电流也会在输入电源适配器的内部和输入线路的电阻上消耗功率。
功率因数一词源自基本的交流电路原理。当正弦交流电源适配器给感性或容性负载供电时,负载电流也是正弦的,但是比输入电压滞后或超前一定的角度x。实际传递到负载的功率只有VCost。与负载两端的电压同相位的输入电流分量(lcox)向负载提供功率。功率因数定义为comx。有功功率由视在功率与功率因数乘积所得。输入电网电流的无功分量和有功分量如图所示。
 
在交流电路术语里,功率因数是由输入电压和输入电流之间的相角的余弦值决定的。对于纯电阻性负载电路,输入电压和电流之间没有相位差,功率因数是1。如果电流滞后或超前于输入电压,则只有和负载电压同相位的输入电流分量提供功率给负载。
在交流电路理论中,cosx的大小就是功率因数值。一般希望保持功率因数尽可能接近于1,也就是说,保持输入电网电流为正弦波并且和正弦电网电压同相位。获得这种效果的方法称为功率因数校正技术。
本章介绍的功率因数校正电路,能使输入端的电网电流正弦化并和输入电网电压同相位而且能消除谐波。这些技术对电网供电的开关电源适配器是非常有用且必须实行的。
强制使用功率因数校正技术是因为输入电流严重畸变。例如,桥式整流器后加电容滤波引起供配电系统和发电机设备过多损耗图。    

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