開(kāi)關(guān)電源功率因素校正（PFC）及其工作原理

1 引言

開(kāi)關(guān)電源以其效率高、功率密度高而在電源領(lǐng)域中占主導地位。但傳統的開(kāi)關(guān)電源存在一個(gè)致命的弱點(diǎn)，功率因數低，一般為0.45～0.75，而且其無(wú)功分量基本上為高次諧波，其中3次諧波幅度約為基波幅度的95%，5次諧波幅度約為基波幅度的70%，7次諧波幅度約為基波幅度的45%，9次諧波幅度約為基波幅度的25%。大量高次諧波電流倒灌回電網(wǎng)，對電網(wǎng)造成嚴重的污染。為此，IEC(國際電工委員會(huì ))制定了限制高次諧波的國際標準，最新標準為IEC1000-3-2D類(lèi)。美國、日本、歐洲等發(fā)達國家已制定了相應標準，并強制執行，對于不滿(mǎn)足諧波標準的開(kāi)關(guān)電源不允許上電網(wǎng)。我國也制定了相應標準。因此，隨著(zhù)減小諧波標準的廣泛應用，更多的電源設計需要結合功率因數校正(PFC)功能 [1]~[4]。

2 高次諧波和功率因數校正的關(guān)系

一般開(kāi)關(guān)電源輸入市電經(jīng)整流后對電容充電，其輸入電流波形為不連續的脈沖。這種電流除了基波分量外，還含有大量的諧波。其有效值I為：

式(1)中：I1，I2，…，In分別表示輸入電流的基波分量與各次諧波分量。

諧波電流使電力系統的電壓波形發(fā)生畸變，將各次諧波有效值與基波有效值的比稱(chēng)為總諧波畸變THD(Total Harmonic Distortion)。

它用來(lái)衡量電網(wǎng)的污染程度。脈沖狀電流使正弦電壓波形發(fā)生畸變，它對自身及同一系統的其他電子設備產(chǎn)生惡劣的影響，如引起電子設備的誤操作，引起電話(huà)網(wǎng)噪音，引起照明設備的障礙，造成變電站的電容、扼流圈的過(guò)熱、燒損等。

功率因數定義PFC=有功功率/視在功率，是指被有效利用功率的百分比。沒(méi)有被利用的無(wú)效功率則在電網(wǎng)與電源設備之間往返流動(dòng)，不僅增加線(xiàn)路損耗，而且成為污染源。

設電容輸入型電路的輸入電壓為：

輸入電流為：

則有效功率Pac為：

則有效功率Pap為：

從式(2)、(5)可見(jiàn)，抑制諧波分量即可達到減小THD、提高功率因數的目的。

3 功率因數校正的實(shí)現方法

從不同的角度看，功率因數校正技術(shù)有不同分類(lèi)方法。從電網(wǎng)供電方式可分為單相PFC電路和三相PFC電路;從采用的校正機理可分為無(wú)源功率因數校正(PPFC)和有源功率因數校正(Active Power Factor Correction，簡(jiǎn)稱(chēng)APFC)兩種。

無(wú)源功率因數校正技術(shù)出現最早，通常由大容量的電感、電容組成。它只是針對電源的整體負載特性表現，在開(kāi)關(guān)整流器的交流輸入端加入電感量很大的低頻電感，以減小濾波電容充電電流尖峰。由于加入的電感體積大，增加了開(kāi)關(guān)整流器的體積，此方法雖然簡(jiǎn)單，但效果不很理想，適于應用到重量體積不受限制的小型設備。

有源功率因數校正是用一個(gè)轉換器串入整流濾波電路與DC/DC轉換器之間(基本原理如圖1所示)，通過(guò)特殊的控制強迫輸入電流跟隨輸入電壓，反饋輸出電壓使之穩定，從而使DC/DC轉換器的輸入實(shí)現預穩。這種方法的特點(diǎn)是控制復雜，但體積大大減小，設計也易優(yōu)化，從而進(jìn)一步提高了性能。由于這個(gè)方案中應用了有源器件，故稱(chēng)為有源功率因數校正。

從原理圖來(lái)看，APFC基本電路就是一種開(kāi)關(guān)電源，但它與傳統開(kāi)關(guān)電源的區別在于：DC/DC變換之前沒(méi)有濾波電容，電壓是全波整流器輸出的半波正弦脈動(dòng)電壓，這個(gè)正弦半波脈動(dòng)直流電壓和整流器的輸出電流與輸出的負載電壓都受到實(shí)時(shí)的檢測與監控，其控制的結果是達到全波整流器輸入功率因數近似為1。

4 功率因數校正技術(shù)的分類(lèi)

目前市場(chǎng)上使用較多的是單相高頻開(kāi)關(guān)電源，針對這種情況，我們對單相有源功率因數校正(APFC)作一簡(jiǎn)單分類(lèi)。

一般主要有兩種基本的APFC：一種是變換器工作在不連續導電模式的“電壓跟隨器”型;另一種是變換器工作在連續導電模式的“乘法器”型。另外，還有三電平PFC技術(shù)、單周期控制的PFC技術(shù)和不連續電容電壓模式PFC技術(shù)等。還可以從采用的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的角度進(jìn)一步對上述兩種模式的APFC加以分類(lèi)。

從軟開(kāi)關(guān)特性來(lái)劃分，APFC電路可分為兩類(lèi)，一類(lèi)是零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)PFC技術(shù)，另一類(lèi)是零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)PFC技術(shù)。按軟開(kāi)關(guān)的具體實(shí)現方法還可進(jìn)一步劃分為：并聯(lián)諧振型、串聯(lián)諧振型、串并聯(lián)諧振型以及準諧振型等軟開(kāi)關(guān)諧振APFC技術(shù)[5]。

從控制方法來(lái)分，APFC電路可以采用脈寬調制(PWM)、頻率調制(FM)、數字控制、單環(huán)電壓反饋控制、雙環(huán)電流模式控制等多種控制方法。

單相有源功率因數校正按拓撲結構可分為兩級模式和單級模式。

4.1兩級有源功率因數校正

目前研究的兩級PFC電路是由兩級轉換器組成：第一級是PFC轉換器，目的在于提高輸入的功率因數并抑制輸入電流的高次諧波;第二級為DC/DC轉換器，目的在于調節輸出以便與負載匹配。具體實(shí)現方式很多，在通信用大功率開(kāi)關(guān)整流器中，主要采用的方法是在主電路輸入整流和功率轉換電路之間串入一個(gè)校正的環(huán)節(Boost PFC電路)。典型的兩級轉換器的結構如圖2所示。

由于兩級分別有自己的控制環(huán)節，所以電路有良好的性能。它具有功率因數高、輸入電流諧波含量低，以及可對DC/DC轉換器進(jìn)行優(yōu)化設計等優(yōu)點(diǎn)。但兩級PFC電路也有兩個(gè)主要缺點(diǎn)：一是由于有兩套裝置，增加了器件的數目和成本;二是能量經(jīng)兩次轉換，電源的效率也會(huì )有所降低。因此，兩級PFC電路一般應用于功率較大的電路中。對于小功率的場(chǎng)合，由于成本及體積的限制，一般采用單級功率因數校正電路。