计算机电源中的有源功率因数校正如何工作?

电器工程 电源 功率因数校正
2022-01-30 18:39:43

我不是在寻找非常详细的解释(尽管它会受到欢迎)。我更希望直观地了解它是如何工作的。

基本上在计算机 PSU 中,我有输入,然后是滤波器,然后是 PFC 电路,然后是开关,然后是变压器,然后是整流,最后我有输出滤波和消费。从我读到的控制开关和调节输出电压的相同 PWM 电路也控制有源功率因数校正。

我没有得到的是实际校正功率因数的方式。

这是一张图片:

来自hardwaresecrets.com 的活动PC

这两个晶体管在这里如何工作,PFC 控制器如何确定功率因数不好?

我知道通常使用线圈和电容器来校正功率因数,我在这里都看到了,但我不明白当其中一个晶体管开始导通时实际发生了什么,为什么需要两个晶体管以及这如何影响功率因数。

3个回答

通过使电流跟随电压来管理功率因数(“校正”实际上是错误的术语,尽管它很常见)。在您的原理图中,总线电压将比交流波形的峰值高一点。电感器、FET、二极管和电容器构成升压转换器。该转换器采用整流后的交流输入电压并产生母线电压。

如果控制系统只调节输出电压,就不会发生 PFC。相反,它所做的是将通过二极管的平均电流调节为与瞬时整流交流输入电压成正比。请记住,从功率因数的角度来看,理想负载的电流与电压同相。另一种看待它的方式是交流线路上的负载需要看起来是电阻性的。就像真正的电阻器一样,您希望保持电流与电压成正比。

当然,这与调节总线电压是不一致的。这可以通过对交流输入电压的快速响应但对调节总线电压的慢得多的响应来处理。换句话说,交流线路仍然看到一个电阻,但电阻值会根据需要缓慢变化,以使总线电压保持在其目标值附近。

您可以查看我的数字 PFC 控制文章,了解有关 PFC 的更多背景信息,以及我想出的一种方法来保持电流与电压成正比,而无需测量电流。我已经获得了一项专利,其中还包括使用数字计算来更准确地控制总线电压。只需一点计算能力,您就可以知道由于跟随交流线路电压而在总线上引起的纹波,然后使用它来确定由于负载需求的变化而发生的变化。这允许比传统方法更快地适应负载变化,但不会破坏 PFC 功能。

简化:

  • PFC控制器不“知道”功率因数是否“坏”,它保证功率因数是好的
  • 如图所示,具有两个晶体管与升压转换器的操作无关(两者将同时开启和关闭)
  • 使用线圈和电容器的无源功率因数校正与有源功率因数校正根本不同

Philip C. Todd关于主动 PFC 的规范论文对PFC 的工作原理进行了非常详细的解释,尽管它是为过时的控制器(UC3854)编写的,但这些想法仍然具有相关性,并且是许多现代主动 PFC 实现的基础。

有源 PFC 控制器的基本目的是使从电源引出的负载呈现电阻性。显然,下游负载在大多数情况下是非电阻性的(通常是恒定功率负载,如 DC/DC 转换器)。PFC 控制器实现功率因数校正的方式是通过感应 AC 波形并调制转换器(通常是升压)的占空比以像电阻器一样工作 - 在零交叉处不吸收电流,并在交流处吸收最大电流峰。

无源 PFC(您描述的线圈和电容器)涉及在电源上放置一个大的低通滤波器以抵消非理想负载。不涉及任何“智能”。

您提供的插图缺少典型 PFC 控制器使用的传感网络:

  • 输入交流波形感应
  • 输出直流感应
  • MOSFET电流

波形感应向 PFC 控制器提供信号,通常以电流的形式,代表桥式整流器之后的交流波形。PFC 控制器使用此波形输入来控制转换器的占空比。

输出直流检测是一个缓慢的电压(通常小于 20Hz)环路,用于维持升压转换器的输出调节。它必须具有比交流波形输入更低的带宽,否则 PFC 将无法工作。

MOSFET 电流检测是一个快速电流环路,用于电流模式控制。

“功率因数”是指两个独立的问题:

  • 电流和电压之间的相位角(更大的相位差 = 与 I * V 相比​​传输的功率更低)

  • 由非线性负载引起的电流失真:波峰因数 = 峰值电流 / rms 电流对于正弦波可能远大于 sqrt(2),从而导致谐波在公用事业的传输系统中造成更多的耗散。

电源中的 PFC 电路主要解决其中的第二个问题。如果你去掉了该图中的电感器 + MOSFET,你最终会得到一个非常高的波峰因数负载:二极管将大量的电流“吸”到电容器中。

PFC 电路试图通过使通过电感器的电流变成整流正弦波(与电压同相)来屏蔽公用事业,从而使公用电源上的电流看起来像正弦波。

为什么需要两个晶体管?它们不是,这是一个实现细节(也许在一个普通封装中使用两个较小的 MOSFET 比在一个不常见的封装中使用一个较大的 MOSFET 更具成本效益)。

控制电路打开 MOSFET,增加通过电感的电流。关闭 MOSFET 将使电流流入负载,这通常会降低电流。控制电路决定打开/关闭它以控制通过电感器的电流——正如我之前所说的,作为整流正弦波。

它还调节输出端电压。

要做到这一点,需要比常规 DC/DC 转换器更复杂一些,以及电感器和电容器中的更多能量存储容量。