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

第一章概述：

功率因數定義及諧波電源設計一直是一個(gè)極富挑戰性的工作，隨著(zhù)許多傳統的難題得以解決，一些有關(guān)電源效率的規范和要求的標準將再次展現新的挑戰。規范標準的第一個(gè)階段其實(shí)已經(jīng)開(kāi)始，針對降低待機能耗(低負載狀態(tài))方面。下一個(gè)階段的任務(wù)將更艱巨，就是提高工作狀態(tài)下電源的效率。在美國國家環(huán)保局“能源之星”計劃以及中國中標認證中心(CECP)的推動(dòng)下，世界各地正在公布有關(guān)電源工作效率的新能效標準。這些更有挑戰性的標準將需要電源廠(chǎng)商及其供應商(包括半導體供應商)共同努力，提供能符合這些新要求的解決方案。

在這些趨勢中，(ICE1000-3-2)標準對功率因數校正(PFC)或降低諧波電流提出強制要求，為此，近年來(lái)在電源結構方面發(fā)生了較大的變化。隨著(zhù)所有設備的功率不斷增大，及降低諧波電流的標準不斷普及，越來(lái)越多的電源設計已經(jīng)采用PFC。設計人員因此面臨這樣一個(gè)難題，既要在產(chǎn)品中采用合適的PFC，也要滿(mǎn)足降低待機能耗、提高工作效率和EMI限制等高效指標。

功率因數校正解決方案的選擇范圍包括無(wú)源電路到各種有源電路，因應用的功率水平和其他參數的不同，解決方案也會(huì )有所不同。近年來(lái)隨著(zhù)分立半導體元件的發(fā)展和更低價(jià)格的控制IC上市，進(jìn)一步拓寬了有源PFC，解決方案的適用范圍。在評估PFC，解決方案時(shí)，重要的是要把整個(gè)系統的實(shí)施成本和性能結合起來(lái)進(jìn)行綜合評估

(1) 提高功率因數的意義

1) 提高功率因數是節能的要求

功率因數的大小意味著(zhù)在視在功率相同的情況下，所能提供給負載有功率的大小。若將功率因數從0.65.提高到0.90，則容量為1000kV；A的發(fā)電機可帶動(dòng)功率為10kV；A。A的電動(dòng)機的臺數從65臺增加到90臺?？梢?jiàn)，提高因數能更充分地利用發(fā)電機設備的容量。功率因數小，不僅浪費能源，而且使線(xiàn)路上的電流增加，損耗增大，同時(shí)還存在火災隱患。

2）提高因數是提高電能質(zhì)量，保證電力系統安全穩定運行的要求

近年來(lái)，電流波形失真已經(jīng)繼相移因數成為第二個(gè)導致功率因數低的主要原因。大量高次諧波電流涌入各級電網(wǎng)，引起公用電網(wǎng)的電壓波形發(fā)生失真、三相電壓不對稱(chēng)及電壓的波動(dòng)和閃變，嚴重威脅電網(wǎng)和各種用電設備的安全經(jīng)濟運行。

3）提高功率因數是各國限制電網(wǎng)諧波標準的要求

我國及國外許多國家均制定、頒發(fā)了控制和限制電力系統諧波的標準，其目的主要是為了控制電網(wǎng)中電壓和電流波形失真在允許范圍內，保護用電設備的安全運行，減少電網(wǎng)污染對通信系統造成的干擾。

功率因數校正電路對離線(xiàn)電源的輸入電流波形進(jìn)行整形，以使從電源吸取的有功功率最大化。在理想情況下，電器應該表現為一個(gè)純電阻負載，此時(shí)電器吸收的反射功率為零。在這種情況下，本質(zhì)上不存在輸入電流諧波。電流是輸入電壓(通常是一個(gè)正弦波)的完美復制品，而且與其同相。在這種情況下，對于進(jìn)行所需工作所要求的有功功率而言，從電網(wǎng)電源吸收的電流最小，而且還減小了與配電發(fā)電以及相關(guān)過(guò)程中的基本設備有關(guān)的損耗和成本。由于沒(méi)有諧波，也減小了與使用相同電源供電的其他器件之間的干擾。當今眾多電源采用PFC，的另一個(gè)原因，是為了符合規范要求。

現在，歐洲的電氣設備必須符合歐洲規范EN61000.3.2。這一要求適用于大多數輸入功率為75W或以上的電器，而且它規定了包括高達39次諧波在內的工頻諧波的最大幅度。雖然美國還沒(méi)有提出此類(lèi)要求，但是希望在全球銷(xiāo)售產(chǎn)品的電源制造商正在設計符合這一要求的產(chǎn)品。

(2)功率因數的定義

根據電工學(xué)的基本理論，功率因數(PE)可簡(jiǎn)單地定義為有功功率(P)與視在功率(S)的比值，用公式表示為:

式中為輸入電流基波有效值為電網(wǎng)電流有效值，其中為各次諧波有效值；U1為輸入電壓基波有效值為輸入電流畸變因數，；為基波電壓與基波電流之間的相移因數。

在式(1-1)中，有功功率是一個(gè)周期內電流和電壓瞬時(shí)值乘積的平均值，而視在功率是電流的RMS值與電壓的RMS值的乘積。如果電流和電壓是正弦波而且同相，則功率因數是1.0。如果兩者是正弦波但是不同相，則功率因數是相位角的余弦。在電工基礎課程中，功率因數往往就是如此定義，但是它僅適用于特定情況，即電流和電壓都是純正弦波。這種情況發(fā)生在負載由電阻、電容和電感元件組成，而且均為線(xiàn)性(不隨電流和電壓變化)的條件下。

所以功率因數可以定義為輸入電流失真系數()與相移因數()的乘積?？梢?jiàn)，功率因數由輸入電流畸變因數和基波電壓、基波電流和位移因數決定。

盡管電流波形有嚴重失真，電流和電壓仍可以完全同相。應用”相位角余弦”的定義會(huì )得出電源的功率因數為1.0的錯誤結論。

低，則設備的無(wú)功功率大，設備利用率低，導線(xiàn)、變壓器繞組損耗大；低，表示設備輸入電流諧波分量大，將造成電流波形畸變，對電網(wǎng)造成污染，使功率因數降低，嚴重時(shí)，會(huì )造成電子設備損壞。通常的無(wú)源電容濾波二極管整流電路的輸入端功率因數只能達到0.65左右。

從式(1:1)可見(jiàn)，抑制諧波分量即可達到減小，提高功率因數的目的。因此可以定性的說(shuō)諧波的抑制電路即功率因數校正電路(實(shí)際上有所區別)。

因為輸入電路的原因，開(kāi)關(guān)模式電源對于電網(wǎng)電源表現為非線(xiàn)性阻抗。輸入電路通常由半波或全波整流器及其后面的儲能電容器組成，該電容器能夠將電壓維持在接近于輸入正弦波峰值電壓值處，直至下一個(gè)峰值到來(lái)時(shí)對電容再進(jìn)行充電。在這種情況下，只在輸入波形的各峰值處從輸入端吸收電流，而且電流脈沖必須包含足夠的能量，以便在下一個(gè)峰值到來(lái)之前能維持負載電壓。這一過(guò)程通過(guò)在短時(shí)間內將大量電荷注入電容，然后由電容器緩慢地向負載放電來(lái)實(shí)現，之后再重復這一周期。電流脈沖為周期的10%-20%是十分常見(jiàn)的，這意味著(zhù)脈沖電流應為平均電流的5-10倍。