開關(guān)電源功率因數(shù)校正電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例之：概述

前級(jí)從220V交流電網(wǎng)整流提供直流是在電力電子技術(shù)及電子設(shè)備中應(yīng)用極為廣泛的一種基本變流方案。但整流器;電容濾波電路是一種非線性器件和儲(chǔ)能元件的組合，因此雖然輸入交流電壓是正弦波，但輸入電流波形卻嚴(yán)重畸變，呈脈沖狀，含有大量的諧波，使輸入電路的功率因數(shù)達(dá)不到0.7。

由于常規(guī)整流裝置使用晶閘管或二極管，整流器件的導(dǎo)通角遠(yuǎn)小于180°，從而產(chǎn)生大量諧波電流成分，而諧波電流不做功，只有基波電流做功，功率因數(shù)很低。全橋整流器電壓和電流波形如圖1-1所示。

圖1-1全橋整流器電壓和電流波形

因此，必須采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣頊p小輸入電流波形的畸變，提高輸入功率因數(shù)，以減小電網(wǎng)污染。如信息產(chǎn)業(yè)部在通信電源的入網(wǎng)檢測中就要求1500W以上的電源設(shè)備，其功率因數(shù)必須高于0.92；以下的電源設(shè)備，其功率因數(shù)必須高于0.85。

目前，主要用來提高功率因數(shù)的方法有)電感無源濾波，這種方法對(duì)抑制高次諧波有效，但體積大，重量大，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中其應(yīng)用將越來越少；逆變器有源濾波，對(duì)各次諧波響應(yīng)快，但設(shè)備造價(jià)昂貴；三相高功率因數(shù)整流器，效率高、性能好，近年來其控制策略和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)處于不斷發(fā)展中。單相有源功率因數(shù)校正(APFC),通常采用Boot電路，CCM工作模式，因其良好的校正效果，目前在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

(1)諧波

圖1-2電流波形中的諧波成分

圖1-2顯示了電流波形中的諧波成分，基波(在本例中為60Hz)以100%的參考幅度顯示，而高次諧波的幅度則顯示為基波幅度的百分比。注意到幾乎沒有偶次諧波，這是波形對(duì)稱的結(jié)果。如果波形包含無限窄和無限高的脈沖(數(shù)學(xué)上稱為函數(shù))則頻譜會(huì)變平坦，這意味著所有諧波的幅度均相同。

從前面的描述可以清楚地看到，高功率因數(shù)和低諧波是一致的。但是，它們之間沒有直接的關(guān)系，總諧波失真和功率因數(shù)的關(guān)系體現(xiàn)在下列等式：

PF=Kd×K (1-2)

Kd=

式中，Kd為失真系數(shù)；K為輸入電流的基波分量和輸入電壓的相角系數(shù)。

因此，當(dāng)輸入電流的基波分量和輸入電壓同相時(shí)，K=1且

PF=Kd×K=Kd

即使是完美的正弦電流，只要它的相位和電壓不一致，也會(huì)得出欠佳的功率因數(shù)。對(duì)純正弦波電壓和電流而言，由于它的總諧波成分為零，所以波形失真系數(shù)為1，并且正弦波電壓和電流之間相位差為0，從而電源輸入側(cè)的功率因數(shù)就為1，如果正弦波電壓和電流之間相位差不為0，則電路的功率因數(shù)是它們相位差的余弦值。

當(dāng)=0，時(shí)(為計(jì)算方便)，功率因數(shù)與THD間存在如表1-1所示的關(guān)系。可見，當(dāng)THD≤5%時(shí)，功率因數(shù)可控制在0.999左右。由此得出，10%的THD對(duì)應(yīng)大約于0.995的功率因數(shù)。顯然，無論是從電流的最小化還是減小對(duì)其他設(shè)備的干擾角度來看，對(duì)每個(gè)諧波設(shè)定限制可以更好地完成控制輸入電流“污染”的目標(biāo)。雖然這個(gè)對(duì)輸入電流進(jìn)行整形的過程通常被稱作功率因數(shù)校正，但在國際規(guī)范中，通常以諧波含量來衡量整形是否成功。

表1-1功率因數(shù)與THD間關(guān)系

因此，如何消除和抑制諧波對(duì)公共電網(wǎng)的污染，提高功率因數(shù)成為當(dāng)今國內(nèi)外電源界研究的重要課題。PFC，技術(shù)應(yīng)用到新型開關(guān)電源中，已成為新一代開關(guān)電源的主要標(biāo)志之一。

（4）不良功率因數(shù)的成因

由PF=可知，PF值由以下兩個(gè)因素決定：一是輸入基波電壓與輸入基波電流的相位差，二是輸入電流的波形畸變因數(shù)。

①相控整流電路

對(duì)于常見相控整流電路，其基波電壓和基波電流的位移因數(shù)如表1-2所示。

表1-2常見相控整流電路基波電壓和基波電流的位移因數(shù)

功率因數(shù)低的主要原因是基波電壓和基波電流位移因數(shù)，即受可控硅控制角的影響，使電流滯后于電壓，即≤1。改善功率因數(shù)的措施，一般是在負(fù)載端并聯(lián)一個(gè)性質(zhì)相反的電抗元件。若電網(wǎng)呈感性，通常采用電容補(bǔ)償?shù)姆椒ā?/p>