工程師詳解PFC在電源設計中的作用

　　在2005年最新的IEC61000-3-2標準生效以前，大多數PC、顯示器和電視機的電源在采用110至120V，60Hz的單相交流電供電時(shí)都會(huì )產(chǎn)生過(guò)量的電源線(xiàn)諧波。在這個(gè)更新更嚴格的IEC標準的推動(dòng)下，電源廠(chǎng)商開(kāi)始通過(guò)增加功率因數校正（PFC）來(lái)最大限度地減少電源線(xiàn)諧波。

　　為了解IEC61000-3-2的影響，最好先了解一下直接穿過(guò)電源線(xiàn)放置負載電阻（R）的理想情況（圖1）。在這種情況下，正弦線(xiàn)路電流IAC與線(xiàn)路電壓VAC成正比，且與該電壓同相。因此：

　　這意味著(zhù)，對于效率最高的無(wú)失真電源線(xiàn)操作來(lái)講，所有的負載都應作為有效電阻（R），而消耗和提供的功率是RMS線(xiàn)路電壓和線(xiàn)路電流的乘積。

　　不過(guò)，許多電子系統的負載都需要交流到直流的轉換。在這種情況下，典型電源的電源線(xiàn)上的負載由一個(gè)驅動(dòng)電容的橋式二極管組成（圖2）。它是電源線(xiàn)的非線(xiàn)性負載，因為此橋式整流器的兩個(gè)二極管都位于輸入交流電源線(xiàn)電壓的正半周期或負半周期的直接電源通路中。此非線(xiàn)性負載僅在正弦電源線(xiàn)電壓的峰值期間汲取電源線(xiàn)電流，這樣會(huì )產(chǎn)生“多峰”輸入電源線(xiàn)電流，從而引起電源線(xiàn)諧波（圖3）。

　　非線(xiàn)性負載可使諧波大小與線(xiàn)路頻率下的基本諧波電流具有可比性。圖4顯示了相對于線(xiàn)路頻率下的基本諧波大小進(jìn)行標準化的高階諧波電流大小。不過(guò)，只有圖1 中給出的在與線(xiàn)路頻率相同的頻率下且與電源線(xiàn)電壓同相的諧波電流（在此案例中為線(xiàn)路頻率下的基本諧波）對提供給負載的平均功率起作用。這些諧波電流會(huì )影響同一電力線(xiàn)上的其他設備的工作情況。

　　如果θ=0°，則cosθ = 1且P = IRMS * VRMS，這與電阻負載的情況相同。當PF為1時(shí)，負載消耗電源提供的所有能量。

　　如果θ=90°，則cosθ = 0；因此負載收到的功率為零。提供功率的發(fā)電機必須提供IRMS * VRMS的功率（即使沒(méi)有功率用于做有用功）。

　　因此，對于圖2中的二極管橋式電容器案例，式2的PF定義中剩下的唯一一個(gè)變量就是線(xiàn)路電流IRMS，因為線(xiàn)路電壓（VRMS）已通過(guò)電源線(xiàn)發(fā)電機固定至120V。電源線(xiàn)為提供給負載的給定平均功率而汲取的IRMS越高，功率因數（PF）就越低。圖2中的AC-DC轉換器采用120V的交流電源線(xiàn)電壓供電，并向負載提供600W的功率，同時(shí)汲取10A的線(xiàn)路電流，該轉換器的PF = 0.5。不過(guò)，圖1中PF為1的電阻負載僅從電源線(xiàn)中汲取5A的電流（該負載從120V交流電源線(xiàn)中汲取600W的功率）。

　　電力公司會(huì )因低PF負載而遭受損失，這是因為電力公司必須提供更高的發(fā)電能力，從而滿(mǎn)足由于負載的低PF而產(chǎn)生的更大的線(xiàn)路電流的要求。不過(guò)電力公司只會(huì )按提供的平均功率（單位為瓦特）向用戶(hù)收費——而不是按產(chǎn)生的伏安收費。

　　伏安與瓦特之間的這種差別要么以發(fā)熱的形式出現，要么反過(guò)來(lái)體現到交流電源線(xiàn)上。校正這種情況的最常見(jiàn)方法是采用功率因數校正。

　　功率因數校正

　　IEC-61000-3-2標準定義了給定功率級別允許的最大諧波電流。該標準1995年和2001年的初始版本已被2005年的版本3更新。2005年版本3對每相耗費的功率在75至600W之間，耗費的電流≤16A的（D類(lèi)）PC、顯示器和電視機的電源線(xiàn)諧波電流提出了更加嚴格的要求。為滿(mǎn)足這些要求，設計工程師必須在D類(lèi)電源中采用有源功率因數校正（PFC）。

　　許多PFC電路都采用升壓轉換器。傳統的PFC升壓轉換器中的一個(gè)限制因素是它只能由整流后的交流電源線(xiàn)供電，而這種電源線(xiàn)涉及兩級功率處理（圖5）。轉換器產(chǎn)生的波形更好地說(shuō)明了這個(gè)問(wèn)題（圖6）。此外，無(wú)法通過(guò)簡(jiǎn)單有效的方法在傳統升壓轉換器中引入隔離。

　　采用升壓轉換器的全橋擴展（然后作為PFC轉換器進(jìn)行控制）是一種引入隔離的方法（圖7）。不過(guò)，這種方法需要在初級增加四個(gè)晶體管，在次級增加四個(gè)二極管整流器（晶體管和整流器均在100kHz的開(kāi)關(guān)頻率下工作），從而增加了復雜性。此外，四個(gè)增加的二極管位于以50/60Hz的線(xiàn)路頻率工作的輸入橋式整流器中。

　　除了低頻正弦電流之外，線(xiàn)路電流還將在高開(kāi)關(guān)頻率下疊加輸入電感紋波電流，這需要通過(guò)交流電源線(xiàn)上的一個(gè)額外的高頻濾波器進(jìn)行濾波。由于增加了12個(gè)在硬開(kāi)關(guān)模式下工作的開(kāi)關(guān)，因此造成了較高的傳導和開(kāi)關(guān)損耗。據報道，這種兩級方法及輔助開(kāi)關(guān)器件的最高效率為87%。

　　由于升壓直流轉換增益的影響，這種方法還會(huì )出現啟動(dòng)問(wèn)題。它需要額外的電路對輸出電容進(jìn)行預充電，以便轉換器能夠啟動(dòng)。

　　要實(shí)現1kW或1kW以上的功率，設計工程師經(jīng)常采用三級方法（圖8）。在圖8中，標準升壓PFC轉換器和隔離降壓轉換器位于輸入的橋式整流器之后。這總共需要14個(gè)開(kāi)關(guān)。其中至少六個(gè)開(kāi)關(guān)為高壓開(kāi)關(guān)，這樣就進(jìn)一步降低了效率，增加了成本。盡管如此，在使用最好開(kāi)關(guān)器件的情況下，最高效率能夠達到90%左右，該頻率仍比兩級方法的效率要高。

　　如要實(shí)現中低功率，則有一個(gè)替代方法，該方法通過(guò)采用前向轉換器作為隔離級來(lái)減少開(kāi)關(guān)數量（圖9）。在采用這個(gè)方法之前，必須注意這一點(diǎn)：雖然現在有10個(gè)開(kāi)關(guān)，但與全橋式方案相比，正向轉換器中的四個(gè)開(kāi)關(guān)器件向初級和次級開(kāi)關(guān)施加了更大的電壓應力。此外，全橋式方案還需要