一种小功率单级功率因数校正电路
一种小功率单级功率因数校正电路
摘要：讨论一种单级功率因数校正电路的原理，并分析其实验结果。
关键词：单级功率因数
a low power single－ stage converter to improve power factor
abstract: the paper introduces the operating principle of a low power single－ stage converter to improve
power factor, analyses the result of experiment.
keywords:single－ stage power factor
1引言
对于较小功率的变换器，若采用复杂的功率因数校正电路来提高源侧功率因数，会导致成本增加，失去应用价值。本文所讨论的电路为采用升压电感和双正激电路组合的方式，完成功率因数校正和功率输出。
2电路原理
电路原理图如图1所示。图中l1，vd2，vd3，开关管s1和储能电容c1组成了一个工作于dcm(电流断续工作方式)的升压（boost）变换器。
图1电路原理图
该电路采用一块uc3845作为控制芯片，反馈信号来自输出端。uc3845的驱动信号经过一个小变压器，变为两路同相位的驱动信号，分别驱动两只开关管s1和s2。由于没有电流取样，电路只能工作于dcm方式，否则电路中电流会失控。该电路首先要保证输出稳压，故占空比变化不大，电流波形如图2所示。
图2电流断续控制模式（dcm）
在dcm方式下，每一开关周期t内，输入电流的峰值ip为：
ip=uin×d×t/l1(1)
式中:d—占空比t—开关周期
uin—输入电压l1—输入电感
在每一开关周期t内平均输入电流iave为：
iave=ipd=uind2t/l1（2）
由于开关频率足够高，可以认为在一个开关周期内uin是不变的。当占空比和开关频率不变时，输入电流的平均值正比于输入电压，它可以自动跟踪输入电压呈正弦波形，从而起到功率因数校正的作用。
在dcm方式下，应满足：
uin×ton≤(uc－uin)×toff（3）
式中:uin—输入电压；ton—导通时间；
uc—电容c1电压；toff—关断时间。
当上式取等号时，有最大占空比
dmax=ton/(ton＋toff)=(uc－uin)/uc（4）
电容电压uc受电容器耐压值及成本的限制，不能取得太高，这里取430v。根据国内电网的情况，当输入电压有效值为260v时，占空比dmax=(430－260×1.414)/430=14.5％。可见，这时的占空比很小，这会加大主电路开关管的损耗，同时要求储能元件的容量很大，元器件利用率低，整体效率低。
为了提高占空比，从变压器引出一个绕组n2，按图1所示的极性串于电路中。此时，由公式(uin＋un2)×ton≤(uc－uin＋un2)×toff可推出最大占空比
dmax=(uc－uin＋un2)/(uc＋2un2)(5)
取un2=70v，则当输入电压为260v有效值时，占空比
dmax=(430－260×1.414＋70)/(430＋2×70)
=23.2％(6)
若取un2=100v，则当输入电压为260v有效值时，占空比
dmax=(430－260×1.414＋100)/(430＋2×100)
=25.8％（7）
可见，占空比提高了许多，这对于改善电路性能很有好处。
另外，绕组n2的加入，可使当输入电压uin较小时，相对增大输入电流i，由于整个电流平均值iave不变，故电流的峰值必然下降，从而使电流波形更接近正弦波，有助于提高功率因数。
3工作状态分析
为了分析方便，将变换器在一个工作周期内的工作情况分为三个阶段，如图3所示。
图3工作周期示意图
（1）阶段i开关管s1、s2，二极管vd2导通，输入电压uin对电感l1充电，充电电流为i=(uin＋un2)×ton/l1。同时，电容c1通过s2、n0和s1向负载传输能量。
（2）阶段ⅱ开关管s1和s2关断，vd2承受反压而截止。电感中电流经过vd3向电容c1充电，直到电感中电流变为零。同时，变压器n0产生反电动势，通过vd4、c1和vd5进行磁复位，把一部分能量转移到电容中。另外，变压器也有一部分磁能通过绕组n3、vd8释放到输出端，这有助于扩大输出电压的稳定范围。
（3）阶段ⅲ电感中电流为0，感应电压也为0，vd3承受反向电压而截止。
4实验结果
利用上述原理，做了一个小功率电源。
技术要求如下：
输入电压ac220v输入频率50hz
输出电压dc48v输出电流4a
工作频率150khz
关键元器件参数：储能电容220μf/450vkmh
变压器匝数：n1∶n2∶n3∶n0=15∶13∶6∶44
开关管ir460
输入电感是个很重要的元件，它的选择直接影响到实验效果。线圈引线要足够粗，否则引线压降大，损耗大。电感的气隙不能太小，太小了电感易饱和，使得电流波形在峰值时出现尖峰，降低功率因数；气隙也不能太大，否则磁心外的磁力线太多，线圈会发热，增大损耗。另外，ei型的磁心不适合作电感，应选用罐型磁心。
输入电感应满足在电流最大时，即输入电压最高时也不饱和。取n2电压为100v，当uin为260v时，由前边公式可得d=25.8％，又频率f=150khz，故ton=d/f=1.72μs。电感中峰值电流ip=2×(n1/n0)×io=2.73a,根据公式
l=u/(di/dt)≈u/(△i/△t)
=(1.414uin＋un2)/(ip/ton)(8)
得l=290μh。
实验结果见表1
表1实验结果
uin(v) iin(a) uo(v) io(a) pin(w) pf η
188.1 1.349 49.8 3.91 241.3 0.942 80.6％
197.0 1.298 50.1 3.92 243.0 0.939 80.8％
206.3 1.298 49.8 4.29 255.3 0.942 83.6％
217.9 1.241 48.3 4.27 261.3 0.938 78.9％
输入电流波形如图4。
由实验记录的数据及电流波形可以看出，该电路对于改善功率因数确实有一定的作用，达到了较高的功率因数。然而由于工作中要求占空比较小，开关管等器件上损耗较大，使得电路的整体效率偏低。
另外，实验中还发现，当负载较轻时，输出稳压范围较小；当负载较重时，输出稳压范围较大。这是由于负载轻时，电容器放电较弱，电容器电压达到限压值快，从而使pwm信号占空比减小，使输出电压降低，破坏了输出稳定性。加入绕组n3及vd8，则控制了输出电压，即可控制n3上电压，而n3的电压正比于储能电容电压，故输出电压可以间接地控制储能电容电压，从而使电容晚些进入限压，扩大输出稳压范围。
图4输入电流波形
5结论
该电路对改善功率因数确有一定作用，但由于这仅是原理电路，作为实用电路还有许多待完善的地方。
工业互联网2020所呈现的三个方向的变化
温室大棚环境监控系统有什么功能特点
采用了EDA技术的自动门控制系统的设计
大陆平板显示产业将进入新的发展阶段
含光微纳完成亿元B+轮融资，雷军旗下资金领投，加速中国MEMS微流控产业化进程！
一种小功率单级功率因数校正电路
5G将与物联网结合触发新风口
洲明科技发布2019年半年度报告 营业收入同比增长24.91％
能否按照区域链的路径去改造先有商业？
新唐开发平台黄金3部曲：Nu-Link-Gang满足大量IC烧录需求
基于DSP与CPLD的I2C总线接口的设计与实现
2020年TWS耳机有哪些推荐？无线降噪蓝牙耳机推荐
Globalfoundries CEO：欧盟产业创新有余，技术不足！
变速恒频异步发电系统的工作原理及应用
软件绿色联盟：《智能手机与跑步机互操作测试标准》正式发布
谷歌再度遭反垄断诉讼
问界M9领衔！广州车展正式拉开智能车灯竞争大幕
继电器保护电路详细分析
虹科直播回顾 | BAC协议基础知识
大猜想！三星收购汽车芯片大厂，会是谁呢？
关键词：单级功率因数
a low power single－ stage converter to improve power factor
abstract: the paper introduces the operating principle of a low power single－ stage converter to improve
power factor, analyses the result of experiment.
keywords:single－ stage power factor
1引言
对于较小功率的变换器，若采用复杂的功率因数校正电路来提高源侧功率因数，会导致成本增加，失去应用价值。本文所讨论的电路为采用升压电感和双正激电路组合的方式，完成功率因数校正和功率输出。
2电路原理
电路原理图如图1所示。图中l1，vd2，vd3，开关管s1和储能电容c1组成了一个工作于dcm(电流断续工作方式)的升压（boost）变换器。
图1电路原理图
该电路采用一块uc3845作为控制芯片，反馈信号来自输出端。uc3845的驱动信号经过一个小变压器，变为两路同相位的驱动信号，分别驱动两只开关管s1和s2。由于没有电流取样，电路只能工作于dcm方式，否则电路中电流会失控。该电路首先要保证输出稳压，故占空比变化不大，电流波形如图2所示。
图2电流断续控制模式（dcm）
在dcm方式下，每一开关周期t内，输入电流的峰值ip为：
ip=uin×d×t/l1(1)
式中:d—占空比t—开关周期
uin—输入电压l1—输入电感
在每一开关周期t内平均输入电流iave为：
iave=ipd=uind2t/l1（2）
由于开关频率足够高，可以认为在一个开关周期内uin是不变的。当占空比和开关频率不变时，输入电流的平均值正比于输入电压，它可以自动跟踪输入电压呈正弦波形，从而起到功率因数校正的作用。
在dcm方式下，应满足：
uin×ton≤(uc－uin)×toff（3）
式中:uin—输入电压；ton—导通时间；
uc—电容c1电压；toff—关断时间。
当上式取等号时，有最大占空比
dmax=ton/(ton＋toff)=(uc－uin)/uc（4）
电容电压uc受电容器耐压值及成本的限制，不能取得太高，这里取430v。根据国内电网的情况，当输入电压有效值为260v时，占空比dmax=(430－260×1.414)/430=14.5％。可见，这时的占空比很小，这会加大主电路开关管的损耗，同时要求储能元件的容量很大，元器件利用率低，整体效率低。
为了提高占空比，从变压器引出一个绕组n2，按图1所示的极性串于电路中。此时，由公式(uin＋un2)×ton≤(uc－uin＋un2)×toff可推出最大占空比
dmax=(uc－uin＋un2)/(uc＋2un2)(5)
取un2=70v，则当输入电压为260v有效值时，占空比
dmax=(430－260×1.414＋70)/(430＋2×70)
=23.2％(6)
若取un2=100v，则当输入电压为260v有效值时，占空比
dmax=(430－260×1.414＋100)/(430＋2×100)
=25.8％（7）
可见，占空比提高了许多，这对于改善电路性能很有好处。
另外，绕组n2的加入，可使当输入电压uin较小时，相对增大输入电流i，由于整个电流平均值iave不变，故电流的峰值必然下降，从而使电流波形更接近正弦波，有助于提高功率因数。
3工作状态分析
为了分析方便，将变换器在一个工作周期内的工作情况分为三个阶段，如图3所示。
图3工作周期示意图
（1）阶段i开关管s1、s2，二极管vd2导通，输入电压uin对电感l1充电，充电电流为i=(uin＋un2)×ton/l1。同时，电容c1通过s2、n0和s1向负载传输能量。
（2）阶段ⅱ开关管s1和s2关断，vd2承受反压而截止。电感中电流经过vd3向电容c1充电，直到电感中电流变为零。同时，变压器n0产生反电动势，通过vd4、c1和vd5进行磁复位，把一部分能量转移到电容中。另外，变压器也有一部分磁能通过绕组n3、vd8释放到输出端，这有助于扩大输出电压的稳定范围。
（3）阶段ⅲ电感中电流为0，感应电压也为0，vd3承受反向电压而截止。
4实验结果
利用上述原理，做了一个小功率电源。
技术要求如下：
输入电压ac220v输入频率50hz
输出电压dc48v输出电流4a
工作频率150khz
关键元器件参数：储能电容220μf/450vkmh
变压器匝数：n1∶n2∶n3∶n0=15∶13∶6∶44
开关管ir460
输入电感是个很重要的元件，它的选择直接影响到实验效果。线圈引线要足够粗，否则引线压降大，损耗大。电感的气隙不能太小，太小了电感易饱和，使得电流波形在峰值时出现尖峰，降低功率因数；气隙也不能太大，否则磁心外的磁力线太多，线圈会发热，增大损耗。另外，ei型的磁心不适合作电感，应选用罐型磁心。
输入电感应满足在电流最大时，即输入电压最高时也不饱和。取n2电压为100v，当uin为260v时，由前边公式可得d=25.8％，又频率f=150khz，故ton=d/f=1.72μs。电感中峰值电流ip=2×(n1/n0)×io=2.73a,根据公式
l=u/(di/dt)≈u/(△i/△t)
=(1.414uin＋un2)/(ip/ton)(8)
得l=290μh。
实验结果见表1
表1实验结果
uin(v) iin(a) uo(v) io(a) pin(w) pf η
188.1 1.349 49.8 3.91 241.3 0.942 80.6％
197.0 1.298 50.1 3.92 243.0 0.939 80.8％
206.3 1.298 49.8 4.29 255.3 0.942 83.6％
217.9 1.241 48.3 4.27 261.3 0.938 78.9％
输入电流波形如图4。
由实验记录的数据及电流波形可以看出，该电路对于改善功率因数确实有一定的作用，达到了较高的功率因数。然而由于工作中要求占空比较小，开关管等器件上损耗较大，使得电路的整体效率偏低。
另外，实验中还发现，当负载较轻时，输出稳压范围较小；当负载较重时，输出稳压范围较大。这是由于负载轻时，电容器放电较弱，电容器电压达到限压值快，从而使pwm信号占空比减小，使输出电压降低，破坏了输出稳定性。加入绕组n3及vd8，则控制了输出电压，即可控制n3上电压，而n3的电压正比于储能电容电压，故输出电压可以间接地控制储能电容电压，从而使电容晚些进入限压，扩大输出稳压范围。
图4输入电流波形
5结论
该电路对改善功率因数确有一定作用，但由于这仅是原理电路，作为实用电路还有许多待完善的地方。
工业互联网2020所呈现的三个方向的变化
温室大棚环境监控系统有什么功能特点
采用了EDA技术的自动门控制系统的设计
大陆平板显示产业将进入新的发展阶段
含光微纳完成亿元B+轮融资，雷军旗下资金领投，加速中国MEMS微流控产业化进程！
一种小功率单级功率因数校正电路
5G将与物联网结合触发新风口
洲明科技发布2019年半年度报告 营业收入同比增长24.91％
能否按照区域链的路径去改造先有商业？
新唐开发平台黄金3部曲：Nu-Link-Gang满足大量IC烧录需求
基于DSP与CPLD的I2C总线接口的设计与实现
2020年TWS耳机有哪些推荐？无线降噪蓝牙耳机推荐
Globalfoundries CEO：欧盟产业创新有余，技术不足！
变速恒频异步发电系统的工作原理及应用
软件绿色联盟：《智能手机与跑步机互操作测试标准》正式发布
谷歌再度遭反垄断诉讼
问界M9领衔！广州车展正式拉开智能车灯竞争大幕
继电器保护电路详细分析
虹科直播回顾 | BAC协议基础知识
大猜想！三星收购汽车芯片大厂，会是谁呢？