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(dǎo)地位。但傳統(tǒng)的開關(guān)電源存在一個(gè)致命的弱點(diǎn)，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(yán)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(biāo)準(zhǔn)，最新標(biāo)準(zhǔn)為IEC1000-3-2D類。美國、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國家已制定了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，并強(qiáng)制執(zhí)行，對于不滿足諧波標(biāo)準(zhǔn)的開關(guān)電源不允許上電網(wǎng)。我國也制定了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。因此，隨著減小諧波標(biāo)準(zhǔn)的廣泛應(yīng)用，更多的電源設(shè)計(jì)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(dá)到減小THD、提高功率因數(shù)的目的。

3 功率因數(shù)校正的實(shí)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(jī)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(fù)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(gè)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)預(yù)穩(wěn)。這種方法的特點(diǎn)是控制復(fù)雜，但體積大大減小，設(shè)計(jì)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(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(gè)正弦半波脈動直流電壓和整流器的輸出電流與輸出的負(fù)載電壓都受到實(shí)時(shí)的檢測與監(jiān)控，其控制的結(jié)果是達(dá)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(dǎo)電模式的“電壓跟隨器”型;另一種是變換器工作在連續(xù)導(dǎo)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(jìn)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(shí)現(xiàn)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(zhǔn)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?fù)浣Y(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(fù)載匹配。具體實(shí)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(gè)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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)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(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。