開(kāi)關(guān)電源功率因數校正電路設計與應用實(shí)例之：概述（二）

(6) 開(kāi)關(guān)電源的功率因數

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，開(kāi)關(guān)電源多數是通過(guò)整流器與電力網(wǎng)相接的，經(jīng)典的整流器是由二極管或晶閘管組成的一個(gè)非線(xiàn)性電路，在電網(wǎng)中會(huì )產(chǎn)生大量的電流諧波和無(wú)功功率而污染電網(wǎng)，成為電力公害。傳統的開(kāi)關(guān)電源存在一個(gè)致命的弱點(diǎn)，即功率因數較低，一般僅為0.45～0.75，而且其無(wú)功分量基本上為高次諧波，其中三次諧波的幅度約為基波幅度的95%，五次諧波的幅度約為基波幅度的70%，七次諧波的幅度約為基波幅度的45%，九次諧波的幅度約為基波幅度25%。

開(kāi)關(guān)電源已成為電網(wǎng)最主要的諧波源之一，針對高次諧波的危害，從”//)年起國際上開(kāi)始以立法的形式限制高次諧波，傳統的開(kāi)關(guān)電源在此限制之列。我國國家技術(shù)監督局在1993年頒布了國家標準GB/T 14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》。國際電工委員會(huì )(International Electrotechnical Commission IEC)于1998年對諧波標準IEC5552進(jìn)行了修正，另外還制定了IEC61000-3-2標準，其A類(lèi)標準對電網(wǎng)諧波的要求見(jiàn)表1-3。傳統整流器因諧波遠遠超標而面臨前所未有的挑戰。

抑制開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生諧波的方法主要有兩種：一是被動(dòng)法，即采用無(wú)源濾波或有源濾波電路來(lái)旁路或濾除諧波;二是主動(dòng)法，即設計新一代高性能整流器，它具有輸入電流為正弦波、諧波含量低、功率因數高等特點(diǎn)，即具有功率因數校正功能。國外改善開(kāi)關(guān)電源功率因數的研發(fā)工作的重點(diǎn)，主要是在功率因數校正電路的拓撲結構和功率因數校正控制IC(如UC3842～UC3855A系列,KA7524,TDA4814)的開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域展開(kāi)研發(fā)工作。國內一些廠(chǎng)家也做了類(lèi)似的工作，采用功率因數校正電路的開(kāi)關(guān)電源，其功率因數可達到0.95～0.99近似于1。近年來(lái)功率因數校正電路得到了很大的發(fā)展，為電力電子學(xué)研究的重要方向之一。

常規開(kāi)關(guān)電源的功率因數低的根源是整流電路后的濾波電容使輸出電壓平滑，但卻使輸入電流變?yōu)榧饷}沖，如圖1-6所示，而整流電路后面不加濾波電路，僅為電阻性負載時(shí)，輸入電流即為正弦波，并且與電源電壓同相位，功率因數為1。

于是功率因數校正電路的基本思想是將整流器與濾波電容隔開(kāi)，使整流電路由電容性負載變?yōu)殡娮栊载撦d。在功率因數校正電路中，其隔離型電路如圖1-7所示。但這種電路結構不能實(shí)現輸入與輸出的電隔離。

圖1-6 常規開(kāi)關(guān)電源輸入電壓與輸入電流波形

圖1-7 基本隔離型PFC電路

圖1-8 電容輸入的電路

新型低污染、高效率、低應力、低輸出紋波開(kāi)關(guān)電源主要包括EMI及浪涌吸收濾波電路，前級有源軟開(kāi)關(guān)功率因數校正電路，相移諧振軟開(kāi)關(guān)DC/DC變換電路及輸出紋波抑制電路等。

一般開(kāi)關(guān)電源的輸入整流電路如圖1-8所示，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，如圖1-9所示。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：

式中

，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)之為總諧波畸變(Total Harmonic Distortion，THD)其表達式為：

THD=