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。

　　4.2單級有源功率因數校正

　　單級PFC技術(shù)的基本思想，是將有源PFC轉換器和DC/DC轉換器合二為一。兩個(gè)轉換器共用一套開(kāi)關(guān)管和控制電路(電路如圖3所示)，因此單級PFC技術(shù)降低了成本，提高了效率，減小了電路的重量和體積。

　　單級PFC電路具有許多優(yōu)點(diǎn)：PFC級和DC/DC級共用1個(gè)開(kāi)關(guān)管，共用1套控制電路，這就使得電路設計大為簡(jiǎn)捷，降低了硬件成本;變換中能提供任何選定的電壓和電流比;由于功率實(shí)現的是一次性變換，所以能獲得較高的效率和可靠性。單級PFC電路正因為具有這些優(yōu)良的性能而越來(lái)越得到廣泛的研究和應用。

　　但是，與傳統的兩級式DC/DC轉換器相比，單級PFC轉換器要承受更高的電壓應力，有更多的功率損耗。這個(gè)問(wèn)題在開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)顯得尤為突出。而且，由于開(kāi)關(guān)工作頻率不斷提高所帶來(lái)的電磁干擾問(wèn)題也日益嚴重，顯著(zhù)影響了轉換器工作的可靠性和頻率的提高。單級方案中還存在儲能電容電壓過(guò)高的情況，而且儲能電容電壓隨著(zhù)輸入電壓及負載的變化而升高，這將會(huì )導致電路的穩態(tài)特性受到一定的影響，同時(shí)某些元器件的體積成本會(huì )有所提高，這都是期待解決的問(wèn)題。通過(guò)比較可知，在輸出功率相同的情況下，單級功率因數校正電路在功率因數校正能力和電源的轉換效率等方面，相對于兩級功率因數校正電路而言，相對要差一些。近些年，專(zhuān)家學(xué)者先后提出了許多零電壓及零電流軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，特別是將軟開(kāi)關(guān)技術(shù)與單級隔離型PFC技術(shù)結合在一起的方法，另外，怎樣降低儲能電容上的電壓也是現在單級功率因數校正研究的熱點(diǎn)。

　　5 有源功率因數校正的控制方式

　　根據電感電流是否連續，APFC有下面幾種工作模式：不連續導通模式DCM(Discontinuous Conduction Mode)和連續導通模式CCM(Continuous Conduction Mode)。一般認為，采用電流連續導通方式，可利于實(shí)現輸入EMI濾波電路小型化，并可使電流應力減小，實(shí)現高效率[6]- [7]。

　　DCM控制又稱(chēng)電壓跟蹤方法(Voltage Follower)，它是PFC中簡(jiǎn)單而實(shí)用的一種控制方式。這類(lèi)轉換器工作在不連續導電模式，開(kāi)關(guān)管由輸出電壓誤差信號控制，開(kāi)關(guān)周期為常數。由于峰值電感電流基本上正比于輸入電壓，因此，輸入電流波形跟隨輸入電壓波形變化。

　　DCM控制方式的優(yōu)點(diǎn)是：(1)電路簡(jiǎn)單，不需要乘法器;(2)功率管實(shí)現零電流開(kāi)通(ZCS)且不承受二極管的反向恢復電流;(3)輸入電流自動(dòng)跟蹤電壓且保持較小的電流畸變率。

　　但是DCM方式存在著(zhù)以下兩個(gè)主要問(wèn)題：(1)由于電感電流不連續，造成電流紋波較大，對濾波電路要求高;(2)開(kāi)關(guān)管電流應力高，在同等容量情況下，DCM中開(kāi)關(guān)器件通過(guò)的峰值電流是CCM的兩倍，由此導致通態(tài)損耗增加，因此只適用于小功率的場(chǎng)合。

　　中大功率電路通常采用CCM工作方式，而CCM根據是否直接選取瞬態(tài)電感電流作為反饋量，又可分為直接電流控制和間接電流控制。直接電流控制檢測整流器的輸入電流作為反饋和被控量，具有系統動(dòng)態(tài)響應快、限流容易、電流控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。直接電流控制有峰值電流控制(PCMC)，滯環(huán)電流控制(HCC)，平均電流控制(ACMC )，預測瞬態(tài)電流控制(PICC)，線(xiàn)性峰值電流控制(LPCM)，非線(xiàn)性載波控制(NLC)等方式。CCM控制方式的優(yōu)點(diǎn)為：(1)輸入和輸出電流紋波小，THD和EMI小;(2)器件導通損耗小;(3)適用于大功率場(chǎng)合。

APFC的控制電路方式很多，為使控制部分簡(jiǎn)單化、小型化，己有IC廠(chǎng)家生產(chǎn)出各種不同性能和用途的專(zhuān)用集成電路，一般控制方式有兩類(lèi)：利用乘法器控制法及電壓跟隨器方法。乘法器控制法包括：電流峰值控制、電流滯環(huán)控制以及平均電流控制，電壓跟隨器方法包括：零電流連