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现代开关电源为什么要采用PFC技术—-开关电源滤波电容的危害

2009年9月19日 郝铭 发表评论 阅读评论

现代开关电源为什么要采用PFC技术—-开关电源滤波电容的危害

郝 铭

开关电源效率高、适应电压范围宽、功率大已经被电器设备广泛的采用,但是它的负面作用随着大量的应用也逐步显现,这就是在开关电源电路中一般是采用整流后直接滤波的方式向后级电路提供直流供电,这种整流后直接滤波的方式造成的供电线路中电流波形的严重畸变而产生的危害已经到了不解决不行的地步了。为什么会有这么严重的危害?我们下面用二极管半波整流电路为例加以解释;

图1是半波二极管整流电路的四种不同的电路(由上至下);图1-1是二极管整流后只有一只负载电阻R;图1-2是二极管整流后只有一只滤波电容C;图1-3是二极管整流后只有一只负载电阻R和滤波电容C;图1-4是二极管整流后只有两只负载电阻R和滤波电容C。

图1-1:当交流市电加到整流二极管上时;交流电的正半周二极管导通经过负载电阻R形成电流;交流市电的每一个周期中(00~3600)只有正半周(00~1800)到来时整流二极管正偏导通,也就是在正弦波整流电路中;二极管的负载是阻性时,每一个正弦波的正半周二极管均导通;二极管的导通角为:1800,(图中阴影部分是电流波形)可以看出阻性负载的整流电路,二极管流过的电流其波形、相位和所加的市电电压波形、相位是相同的。

图1-2:当交流市电加到整流二极管上时;在第一个周期的00~3600中由00开始二极管开始导通施加于二极管上的电压瞬时值逐渐增大,随着导通角的增加,二极管的导通电流也逐渐加大,由于二极管的负载是一只滤波电容C,那么二极管流过电流对电容C充电,随着输入正弦波交流电角度的不断增加,输入电压的瞬时值不断增加,到达900时,达到最大值(峰值:311V),并且电容C上的电压也达到最大值(311V),接着输入电压的瞬时值由正半周的900~1800时,其瞬时值逐步下降,由于电容C在峰值时充电电压达到311V,此电压无法释放,始终维持在311V,此电压同时也加在整流二极管的输出端,这样在二极管输入端的电压不管在其它任何时候,(由00~3600~7200.。。。。。。),二极管都不再导通。也就是在正弦波整流电路中;二极管的负载是纯容性时;二极管的导通为第一个周期的:00~900

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图1

图1-3:当交流市电加到整流二极管上时;在第一个周期的00~3600中由00开始二极管开始导通施加于二极管上的电压瞬时值逐渐增大,随着导通角的增加,二极管的导通电流也逐渐加大,由于二极管的负载是一只滤波电容C及一只并联在电容上的电阻R,那么二极管流过电流对电容C充电及通过电阻R产生负载电流,随着输入正弦波交流电角度的不断增加,输入电压的瞬时值不断增加,到达900时,达到最大值(峰值:311V),并且电容C上的电压也达到最大值(311V),此时整流二极管输入端的交流电瞬时值由900~1800逐渐下降,二极管反偏,不再对电容C充电,而电容C上的电压311V通过R放电,电压逐步下降,(由于一般的整流电路C的容量极大约为数百微法,电阻R则是负载内阻,是一个高时间常数电路,电压下降幅度极小),当下一个周期的正半周峰点到来电压虽略有下降(下降的幅度和负载电阻的大小有关)但仍能维持在300V以上。这样当下一个正弦波周期来到时;只有到了瞬时值达到峰值附近,并且超过电容两端电压时,整流二极管才会再次导通,并且又对电容C进行充电,当第二个周期正弦波达到正半周900时(图中4500)电容两端电压又被充到311V峰值,二极管又截止。从图中可以看出;整流二极管导通的时间极端,导通角极小(视放电的时间常数决定,一般滤波电容越大二极管导通角越小),电流的波形(阴影部分)呈脉冲状态,不再是正弦波形状。

图1-4是二极管整流后只有两只负载电阻R及一只滤波电容;两只电阻R的含义是负载电阻变小,放电电流变大,和上面图1-3相同的过程,不同的是在电容C充电到311V后是经过两只电阻放电,放电速度加快,电容C上的电压下降较快,这样当下一个周期到来时由于电压下降较多,整流二极管较图1-3状态提前进入导通状态;开始导通,当达到最大值时(图中4500)二极管截止,这样导通角(图1-4中阴影部分)较图1-3大,,电流的波形呈宽脉冲状态,也不再是正弦波形状。

从以上的分析可以看出,整流二极管后面如果不用滤波电容,流过整流二极管的电流和输入电压的波形相同,在正弦波整流电路中;如果是桥式整流或全波整流那么电路的电流波形也是正弦波形状,并且相位也和输入电压的相位相同。但是只要整流管后面采用了滤波电容情况就不同了,电流波形就不再是正弦波形;而变成脉冲状态,而且视负载的大小及电容容量的大小,脉冲的宽度不同。

整流电路脉冲状电流波形带来的危害;

1电磁干扰 EMI(Electrom1gnetic Interference):由于电流波形是非正弦波形,并且接近于矩形波,对非正弦波和矩形波进行频谱分析得知任何一个非正弦波都是由基波和基波的高次谐波叠加形成,对于接近于矩形波的电流波形则具有更加丰富的高次谐波,而这些频率成分很高的能量很强高次谐波可以通过无线方式辐射干扰其它电路及其它电器设备的正常工作,这就是为什么某些品质高的电视机开关电源都加一个隔离罩或者单独放置。

2电磁兼容EMC(Electro M1gnetic Interference):由于供电线路的内阻存在,而电流是脉冲状态,在脉冲电流产生瞬间电流较大,在线路的内在会产生压降(在正弦波接近±900的部位)压降的产生使线路的正弦波形态产生峰点切幅的失真如图2所示;图2-1是正常正弦波波形;图2-2是产生失真的正弦波波形,这样的波形在供电线路中,使其它的需要正弦波工作的设备(电动机、电风扇等)不能正常工作。

由于现代的开关电源均是整流后采用大滤波电容来滤波,而产生的EMC及EMI问题,已经到了不解决不行的地步了,为了解决这一问题现在新一代的液晶、等离子电视机及功率较大的电器设备的整流元件后面都不采用滤波电容器,而是把整流的脉动直流再经过一个新增的斩波电路(开关电源)变换成100KHz的高频脉冲然后再整流、滤波供后级PWM开关电源应用。这种整流后不直接滤波从而使供电线路中电流波形仍是正弦波形状并且和输入市电电压波形相同,这就是平时提到的PFC开关电源技术(另文介绍)

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图2

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