CN102403889A - 一种高效率无源功率因数校正电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高效率无源功率因数校正电路，包括整流桥电路、输出电路和互感填谷电路，所述互感填谷电路并联在整流桥电路和输出电路的桥臂之间。所述整流桥电路由第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4构成；所述互感填谷电路由第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8、第一电容C1、第二电容C2和变压器T1构成；所述输出电路包括第三电容C3。

Description

一种高效率无源功率因数校正电路

技术领域

       本发明涉及交流-直流转换过程中的功率校正，属于开关电源领域，尤其涉及一种无源功率因数校正电路。 

背景技术

功率因数(PF)定义为有功功率与视在功率的比值，如(1)式所示，其中V_in表示输入电压，I表示脉冲电流的有效值，I_n表示第n次谐波的有效值，I₁表示基波电流的有效值，θ是基波电流I₁与输入电压V_in的相差。

       (1)

其中，             

总谐波畸变因数(Total Harmonics Distortion, THD)定义为高次谐波电流分量的总有效值与基波电流有效值的比值，如(2)式所示。

                           (2)

功率因数与总谐波畸变因数的关系可用 (3)式表示。当相差θ为0，且THD<5%时，功率因数可以控制在0.99以上。因此，功率因数的提高主要从降低谐波电流成分，减小输入基波电流与输入电压的相差这两个方面进行。

                     (3)

在电力电子设备、电子仪器以及家电产品中，将220V的交流电网电源进行整流得到直流电源，是一种应用极为广泛且最为基础的交流-直流(AC- DC)变换方案。在通常情况下，这种AC-DC变换由全桥整流电路实现，后接一个大的滤波电容，以得到波形较为平直的直流电压源。当输入交流电压的电位较低时，负载所需的电能由蓄能电容提供，交流电压源本身并不提供电流；当输入交流电压的电位较高时，交流电压源直接向储能电容充电。因此，尽管输入的交流电压是正弦波，但是输入的交流电流却呈脉冲状，波形畸变严重。这些脉冲状的输入电流中含有大量的谐波，如果大量的电流谐波分量倒流入电网，则一方面会使电网中的谐波噪声水平提高，造成电网的谐波“污染”，另一方面会产生“二次效应”，即电流流过线路阻抗形成谐波电压降，反过来使得电网电压(原正弦波)也发生畸变。这些效应严重时会造成电路故障，损坏变电设备。

如果整流桥后面没有并联储能电容，而直接是接上一个纯阻性的负载，那么很显然，电压和电流之间的相位差为零且没有谐波电流，功率因数为1。因此功率因数校正(PFC)技术的本质，就是要使用电设备的输入端对输入电网呈现“纯阻性”，也就是要使输入电流和输入电压之间成正比。另一方面，从能量传输的角度来讲，PFC技术是使用电设备的输入端从输入电网中汲取能量，而不要将能量重新反馈回输入电网中去。

从目前来看，解决电网谐波污染的方法有两种：一是在电网侧对已经产生的谐波电流进行补偿；二是在电力电子装置内部设置无源或者有源的PFC电路，达到PFC的目的。其中，后一种是较为根本的解决方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效率无源功率因数校正电路，该电路位于整流桥与直流-直流(DC-DC)转换器之间，用于提高电路的功率因数。

本发明适用于无源高频的功率因数校正电路，主电路结构如图1所示包括三个部分：整流桥电路、互感填谷电路和输出电路。所述互感填谷电路并联在整流桥电路和输出电路的桥臂之间。

所述整流桥电路由第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4构成；所述互感填谷电路由第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8、第一电容C1、第二电容C2和变压器T1构成；所述输出电路包括第三电容C3。

第一二极管D1的阴极与第二二极管D2的阴极相连，第三二极管D3的阳极与第四二极管D4的阳极相连，第三二极管D3的阴极与第一二极管D1的阳极相连，第四二极管D4的阴极与第二二极管D2的阳极相连；所述整流桥电路的输入端接交流电压，输入端AC_L与第一二极管D1的阳极、第三二极管D3的阴极相连，AC_N与第二二极管D2的阳极、第四二极管D4的阴极相连；第二二极管D2的阴极为输出正端，第四二极管D4的阳极为输出负端，其中输出负端接地。

所述变压器T1的初端为第一电感L1，两个次端为第二电感L2和第三电感L3；第一电感L1的非同名端与第五二极管D5的阴极相连，第一电感L1的同名端与第三电感L3的同名端、第一电容C1的一端相连；第二电感L2的非同名端与第六二极管D6的阴极相连，第二电感L2的同名端与第一电容C1的另一端、第七二极管D7的阳极相连；第三电感L3的非同名端与第八二极管D8的阴极相连；第二电容C2的一端与第六二极管D6的阳极相连，第二电容C2的另一端与第八二极管D8的阳极、第七二极管D7的阴极相连；第五二极管D5的阳极为互感填谷电路的输入正端，第六二极管D6的阳极为输入负端，输入负端接地；第一电感L1的同名端为输出正端，第六二极管D6的阳极为输出负端，输出负端接地。

所述输出电路的第三电容C3的两端分别是输出正、负端DC+和DC-。

所述第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)和第四二极管(D4)均为整流二极管。

第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3起储能的作用，当输入电压低于第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3上的电压时，第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3向后级供电；同时，第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3分别与变压器T1的第一电感L1、第二电感L2和第三电感L3发生谐振。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明提出的无源功率因数校正电路成本低、体积小、结构简单、效率高，符合欧盟EN61000-3-2中的C类标准。该电路在最优情况下可将功率因数提高到0.99，较好地克服了普通无源功率因数校正电路功率因数不高的缺点。

附图说明

图1无源功率因数校正电路原理图。

图2无源功率因数校正电路及后级等效电路示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施作进一步描述，但本发明的实施不限于此。

如图1所示，本发明高效率无源功率因数校正电路组成及使用元件如下：

适用于无源高频的功率因数校正电路，包括三个部分：整流桥电路、互感填谷电路和输出电路。所述互感填谷电路并联在整流桥电路和输出电路的桥臂之间。

所述整流桥电路由第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4构成；所述互感填谷电路由第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8、第一电容C1、第二电容C2和变压器T1构成；所述输出电路包括第三电容C3。

第三二极管D3的阳极与第四二极管D4的阳极相连，第一二极管D1的阴极与第二二极管D2的阴极相连，第三二极管D3的阴极与第一二极管D1的阳极相连，第四二极管D4的阴极与第二二极管D2的阳极相连；所述整流桥电路的输入端接交流电压，输入端AC_L与第一二极管D1的阳极、第三二极管D3的阴极相连，AC_N与第二二极管D2的阳极、第四二极管D4的阴极相连；第二二极管D2的阴极为输出正端，第四二极管D4的阳极为输出负端，其中输出负端接地。

所述变压器T1的初端为第一电感L1，两个次端为第二电感L2和第三电感L3；第一电感L1的非同名端与第五二极管D5的阴极相连，第一电感L1的同名端与第三电感L3的同名端、第一电容C1的一端相连；第二电感L2的非同名端与第六二极管D6的阴极相连，第二电感L2的同名端与第一电容C1的另一端、第七二极管D7的阳极相连；第三电感L3的非同名端与第八二极管D8的阴极相连；第二电容C2的一端与第六二极管D6的阳极相连，第二电容C2的另一端与第八二极管D8的阳极、第七二极管D7的阴极相连；第五二极管D5的阳极为互感填谷电路的输入正端，第六二极管D6的阳极为输入负端，输入负端接地；第一电感L1的同名端为输出正端，第六二极管D6的阳极为输出负端，输出负端接地。

所述输出电路的第三电容C3的两端分别是输出正、负端DC+和DC-。

当输入电压小于第一电容C1和第二电容C2上的电压时，第三电容C3向后级提供能量；当第三电容C3上的电压开始小于第一电容C1和第二电容C2上的电压时，第一电容C1和第二电容C2向后级和第三电容C3释放能量，同时变压器T1的第一电感L2与第三电感L3与第三电容C3产生谐振。此时的输入电流与输入电压近似成正比关系。

当输入电压大于第一电容C1和第二电容C2上的电压时，线上电压直接向后端提供能量，同时给第三电容C3充电；流过变压器T1的电流在给第三电容C3充电的同时，也会在变压器T1的第二电感L2、第三电感L3产生感应电流，通过第七二极管D7给第一电容C1、第二电容C2充电储能。此时的输入电流与输入电压近似成正比关系。

该电路中主要元器件的参数如下：

如图2所示，无源功率因数校正电路后接DC-DC电路，图中L_eq、C_eq、R_eq分别是从DC-DC电路输入端看进去的等效电感、等效电容、等效电阻。

则变压器T1的第一电感L1的电感值应满足公式(4):

L1=A*L_eq，其中A介于1/3与1/2之间               (4)

则第一电容C1和第二电容C2的电容值应满足公式(5):

C1 = C2 = B*C_eq, 其中B介于2与4之间            (5)

第三电容C3可取值100uF以上。

记变压器T1的第一电感L1的匝数为N1，变压器T1的第二电感L2和第三电感L3的匝数为N2和N3，则变压器匝数设计应遵循公式(6):

N1/N2 = N1/N3 > 2                              (6)。

第五二极管D5使用超快速恢复二极管为最佳，第六二极管D6、第七二极管D7和第八二极管D8为快速恢复二极管，二极管额定电流值应满足电路要求。

Claims (7)

1.一种高效率无源功率因数校正电路，包括整流桥电路和输出电路，其特征在于还包括互感填谷电路，所述互感填谷电路并联在整流桥电路和输出电路的桥臂之间。

2.如权利要求1所述的无源功率因数校正电路，其特征在于：所述整流桥电路由第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)和第四二极管(D4)构成；所述互感填谷电路由第五二极管(D5)、第六二极管(D6)、第七二极管(D7)、第八二极管(D8)、第一电容(C1)、第二电容(C2)和变压器(T1)构成；所述输出电路包括第三电容(C3)。

3.如权利要求2所述的无源功率因数校正电路，其特征在于：第一二极管(D1)的阴极与第二二极管(D2)的阴极相连，第三二极管(D3)的阳极与第四二极管(D4)的阳极相连，第三二极管(D3)的阴极与第一二极管(D1)的阳极相连，第四二极管(D4)的阴极与第二二极管(D2)的阳极相连；所述整流桥电路的输入端接交流电压，输入端AC_L与第一二极管(D1)的阳极、第三二极管(D3)的阴极相连，AC_N与第二二极管(D2)的阳极、第四二极管(D4)的阴极相连；第二二极管(D2)的阴极为输出正端，第四二极管(D4)的阳极为输出负端，其中输出负端接地。

4.如权利要求2或3所述的无源功率因数校正电路，其特征在于：所述第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)和第四二极管(D4)均为整流二极管。

5.如权利要求2所述的无源功率因数校正电路，其特征在于：所述变压器(T1)的初端为第一电感(L1)，两个次端为第二电感(L2)和第三电感(L3)；第一电感(L1)的非同名端与第五二极管(D5)的阴极相连，第一电感(L1)的同名端与第三电感(L3)的同名端、第一电容(C1)的一端相连；第二电感(L2)的非同名端与第六二极管(D6)的阴极相连，第二电感(L2)的同名端与第一电容(C1)的另一端、第七二极管(D7)的阳极相连；第三电感(L3)的非同名端与第八二极管(D8)的阴极相连；第二电容(C2)的一端与第六二极管(D6)的阳极相连，第二电容(C2)的另一端与第八二极管(D8)的阳极、第七二极管(D7)的阴极相连；第五二极管(D5)的阳极为互感填谷电路的输入正端，第六二极管(D6)的阳极为输入负端，输入负端接地；第一电感(L1)的同名端为输出正端，第六二极管(D6)的阳极为输出负端，输出负端接地。

6.如权利要求2或5所述的无源功率因数校正电路，其特征在于：所述第六二极管(D6)、第七二极管(D7)和第八二极管(D8)均为快速恢复二极管，第五二极管(D5)为超快速恢复二极管。

7.如权利要求2所述的无源功率因数校正电路，其特征在于：所述输出电路的第三电容(C3)的两端分别是输出正、负端DC+和DC-。

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