利用PFC電路減少諧波失真

日常生活中，大家會(huì)發(fā)現(xiàn)工業(yè)用電電費(fèi)會(huì)高于居民用電電費(fèi)。從技術(shù)角度來解答是因?yàn)楣I(yè)用電傳輸成本高，由于工業(yè)應(yīng)用中的用電設(shè)備多為大功率電感或容性負(fù)載，其功率因數(shù)相對(duì)居民用電設(shè)備的功率因數(shù)較低，從而導(dǎo)致無功功率較高，損耗大，因此供電成本相對(duì)較高。而居民用電普遍為中小功率設(shè)備，耗電小，功率因數(shù)高，無功功率損耗少。

本文將介紹功率因數(shù)（PF）和總諧波失真 (THD) 的概念，并回顧如何利用功率因數(shù)校正 (PFC) 電路和 PFC 控制器來實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)并減少諧波失真。

交流電的功率因數(shù)

功率因素PF (λ) 是指有功功率 (P) 與視在功率 (S) 之間的關(guān)系，其中總功耗等于 V x I。λ 為P 與 S 的比值，可用公式 (1) 來估算：

無功功率 (Q)、S 和 P 之間的關(guān)系可以用公式 (2) 來表示：

PF 用于衡量有多少電力被有效利用。PF 值越大，表示其電力的利用率越高。

在交流輸入電網(wǎng)中，PF 可以根據(jù)實(shí)際工作波形來表征，并用公式 (3) 來估算：

影響 PF 的兩個(gè)主要因素是 cos (φ) 和 THD。φ為輸入交流電壓波形和負(fù)載電流波形之間的相位差，如圖1所示。 

圖 1：輸入交流電壓波形和負(fù)載電流波形之間的相位差

總諧波失真（THD）是指由諧波引起的輸入電流失真程度。圖 2 顯示了輸入交流電壓和負(fù)載電流之間的 THD。 

圖 2：輸入交流電壓和負(fù)載電流之間的 THD

通過公式 (4) 可以計(jì)算失真：

交流電網(wǎng)中的諧波是相對(duì)于基波而言的。例如一個(gè) 頻率為 50Hz的220VAC 的正弦電壓施加于一個(gè)非線性負(fù)載。通過傅里葉級(jí)數(shù)可知，失真的輸入電流波形由每個(gè)諧波分量的相加而成。THD 相當(dāng)于二次以上諧波分量的 RMS 值和基波分量的 RMS 值比值的方和根。 失真輸入電流波形的總諧波失真計(jì)算如圖3所示。 

圖 3：總諧波失真的計(jì)算

失真度越大，THD值越大，PF值則越小。為了提高用電效率，業(yè)界針對(duì)各種電氣設(shè)備的諧波電流要求制定了相應(yīng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，例如IEC 61000-3-2和EN 61000-3-2。

利用電路來實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)校正 (PFC)

圖 4 顯示了沒有功率因數(shù)校正的一般電路圖。其整流橋后只有電容濾波，它直接給負(fù)載設(shè)備供電。這導(dǎo)致輸入電流的導(dǎo)通角非常小，PF 很差，最后獲得的輸入電流波形也嚴(yán)重失真。 

圖 4：沒有功率因數(shù)校正的電路圖

圖 5 顯示了無功率因數(shù)校正的電路電壓和電流波形。 

圖 5：無功率因數(shù)校正的電路電壓和電流波形

現(xiàn)代AC/DC電源中，功率因數(shù)校正（PFC）電路主要采用有源功率因數(shù)校正（APFC）電路。APFC電路由電感、電容和半導(dǎo)體開關(guān)器件組成。它體積小，而且通過專用IC根據(jù)正弦電壓波形的變化來控制電流。其電流正弦度高，PF值可達(dá)0.99，非常接近最優(yōu)值1。

圖 6 顯示了一個(gè)典型的升壓（Boost） APFC 電路，該電路通過一個(gè)高頻開關(guān)控制電感電流波形。 

圖 6：升壓 APFC 電路圖

圖 7 顯示了升壓 APFC 電路的輸入電流波形和電壓波形。 

圖 7：升壓 APFC 電路的輸入電流波形和電壓波形

圖 8 顯示了一個(gè)典型的升壓 APFC 電路示例，用來實(shí)現(xiàn)輸入電流的正弦度。L1、D4、Q1 和 C6（紅色虛線框內(nèi)）構(gòu)成升壓 APFC 電路的主電源，F(xiàn)B 為輸出電壓 (VOUT) 反饋，MULT 表示輸入正弦波相位跟蹤，CS則為電感電流采樣信號(hào)。 

圖 8：用于實(shí)現(xiàn)輸入電流正弦度的升壓 APFC 電路

在開關(guān)周期內(nèi)，通過FB檢測(cè) VOUT，并將誤差放大后得到的COMP值與MULT引腳信號(hào)相乘，得出正弦參考值。該參考值將周期性地與電感電流采樣信號(hào)進(jìn)行比較，以完成 MOSFET 開關(guān)的關(guān)斷邏輯。

待ZCS 引腳檢測(cè)到升壓電感電流降至 0A 后，將觸發(fā) MOSFET 開關(guān)的開通邏輯，從而完成完整的開關(guān)周期。此外，C1電容對(duì)電感電流進(jìn)行平滑濾波，使輸入電流波形更趨近正弦，也更平滑。從而實(shí)現(xiàn)校正 PF獲得接近 1 的高 PF 值。

APFC 電路采用典型的臨界電流控制模式，這種控制模式在 300W 以內(nèi)的電源設(shè)計(jì)中很常見。對(duì)更大功率的應(yīng)用而言，則需選擇連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) PFC 電路。當(dāng)對(duì)輕載效率有要求時(shí)，增加非連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）將有效降低工作頻率，以此改善開關(guān)損耗與EMI。

結(jié)語(yǔ)

本文討論了 PF 和 THD 之間的關(guān)系，以及如何利用升壓 APFC 電路獲得高 PF 值。在電源設(shè)計(jì)中集成 PFC 電路可以最大限度地減少總諧波失真并提高電源利用率，從而降低整體電源成本。

MPS 提供的一系列 PFC 控制器產(chǎn)品可以滿足諧波電流的要求并提高電源質(zhì)量。這些 PFC 控制器均采用專有封裝技術(shù)和高效率的集成設(shè)計(jì)。

來源：MPS