開關(guān)電源功率因素校正（PFC）及其工作原理

1 引言

開關(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(tǒng)的開關(guān)電源存在一個致命的弱點，功率因數(shù)低，一般為0.45～0.75，而且其無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)制定了限制高次諧波的國際標準，最新標準為IEC1000-3-2D類。美國、日本、歐洲等發(fā)達國家已制定了相應(yīng)標準，并強制執(zhí)行，對于不滿足諧波標準的開關(guān)電源不允許上電網(wǎng)。我國也制定了相應(yīng)標準。因此，隨著減小諧波標準的廣泛應(yīng)用，更多的電源設(shè)計需要結(jié)合功率因數(shù)校正(PFC)功能 [1]~[4]。

2 高次諧波和功率因數(shù)校正的關(guān)系

一般開關(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(xù)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(tǒng)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為總諧波畸變THD(Total Harmonic Distortion)。

它用來衡量電網(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(tǒng)的其他電子設(shè)備產(chǎn)生惡劣的影響，如引起電子設(shè)備的誤操作，引起電話網(wǎng)噪音，引起照明設(shè)備的障礙，造成變電站的電容、扼流圈的過熱、燒損等。

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

設(shè)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，抑制諧波分量即可達到減小THD、提高功率因數(shù)的目的。

3 功率因數(shù)校正的實現(xiàn)方法

從不同的角度看，功率因數(shù)校正技術(shù)有不同分類方法。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源功率因數(shù)校正(PPFC)和有源功率因數(shù)校正(Active Power Factor Correction，簡稱APFC)兩種。

無源功率因數(shù)校正技術(shù)出現(xiàn)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(xiàn)，在開關(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，增加了開關(guān)整流器的體積，此方法雖然簡單，但效果不很理想，適于應(yīng)用到重量體積不受限制的小型設(shè)備。

有源功率因數(shù)校正是用一個轉(zhuǎn)換器串入整流濾波電路與DC/DC轉(zhuǎn)換器之間(基本原理如圖1所示)，通過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(wěn)定，從而使DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入實現(xiàn)預(yù)穩(wěn)。這種方法的特點是控制復(fù)雜，但體積大大減小，設(shè)計也易優(yōu)化，從而進一步提高了性能。由于這個方案中應(yīng)用了有源器件，故稱為有源功率因數(shù)校正。

從原理圖來看，APFC基本電路就是一種開關(guān)電源，但它與傳統(tǒng)開關(guān)電源的區(qū)別在于：DC/DC變換之前沒有濾波電容，電壓是全波整流器輸出的半波正弦脈動電壓，這個正弦半波脈動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時的檢測與監(jiān)控，其控制的結(jié)果是達到全波整流器輸入功率因數(shù)近似為1。

4 功率因數(shù)校正技術(shù)的分類

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

一般主要有兩種基本的APFC：一種是變換器工作在不連續(xù)導電模式的“電壓跟隨器”型;另一種是變換器工作在連續(xù)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(xù)電容電壓模式PFC技術(shù)等。還可以從采用的軟開關(guān)技術(shù)的角度進一步對上述兩種模式的APFC加以分類。

從軟開關(guān)特性來劃分，APFC電路可分為兩類，一類是零電流開關(guān)(ZCS)PFC技術(shù)，另一類是零電壓開關(guān)(ZVS)PFC技術(shù)。按軟開關(guān)的具體實現(xiàn)方法還可進一步劃分為：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關(guān)諧振APFC技術(shù)[5]。

從控制方法來分，APFC電路可以采用脈寬調(diào)制(PWM)、頻率調(diào)制(FM)、數(shù)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(shù)校正按拓撲結(jié)構(gòu)可分為兩級模式和單級模式。

4.1兩級有源功率因數(shù)校正

目前研究的兩級PFC電路是由兩級轉(zhuǎn)換器組成：第一級是PFC轉(zhuǎn)換器，目的在于提高輸入的功率因數(shù)并抑制輸入電流的高次諧波;第二級為DC/DC轉(zhuǎn)換器，目的在于調(diào)節(jié)輸出以便與負載匹配。具體實現(xiàn)方式很多，在通信用大功率開關(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(zhuǎn)換電路之間串入一個校正的環(huán)節(jié)(Boost PFC電路)。典型的兩級轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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