功率因數(shù)較正(PFC)的幾個問題

1 問題的提出

目前220v市電輸入的開關電源，都是采用橋式整流后電容濾波的形式。如果是110V則一般用倍壓整流。其基本連接如圖1所示。由于Uc的存在，只有當市電的峰值超過它時二極管D才會導通，給負載提供能量。其他時間段D都是截止的，見圖2。50Hz正弦波的半個周期是10mS，而這里D的導通時間只有（2~3）mS。故其峰值系數(shù)（峰值與其有效值之比）一般≥3，而正弦波形的峰值系數(shù)為1.414。

輸入電流形成50Hz的脈沖，其總諧波失真THD可達120%，即所有高次諧波（頻率為50Hz的n倍，n=2～∞），電流之和的均方根幅度超過了基波I1的幅度。功率因數(shù)由式（1）計算，式中Φ是電流和電壓之間的相位角差。而THD的計算式見式（2）。

總諧波失真THD當然可以用頻譜儀測量各次諧波的幅度再用公式計算，但是這很麻煩。一般都是用失真度計測量，測量范圍一般可以從100%～0.01%。失真度計工作時是濾除基波，測量剩下的電壓幅度值再和基波相除就得到總諧波失真THD。

功率因數(shù)PF的測量一般采用電能質(zhì)量測試儀，比如杭州遠方生產(chǎn)的PF9800 。這種儀器應該是同時測量出COSΦ和THD，經(jīng)過運算得出PF值。由于諧波電流非正弦波，需要用真有效值表來測量。如果儀器內(nèi)的真有效值表不到位，測出的PF值就會產(chǎn)生較大的誤差。由于電流的峰點出現(xiàn)在電壓的峰值處，Φ≈0，所以COSφ≈1。

當輸入電流沒有失真時THD=0，PF就是1，而THD＞0時PF＜1。通常市電經(jīng)橋式整流、電容濾波后的PF約為0.6～0.7。濾波電容和母線等效負載電阻的乘積越大，整流管的導通時間就越短，故其峰值系數(shù)就越高，THD越大，所以PF值越小。

2 危害

由于諧波電流的幅度超過了基波的幅度，而它不做功只會使導線發(fā)熱，消耗能量。

三相基波電流各相的相位差為120°，而諧波電流的相位很復雜，和基波電流合成后的電流彼此之間的相位會改變，三相的相位差不再是120°，造成三相不平衡。而不平衡的直接后果就是中線電流增加，嚴重時會燒毀變壓器。下面舉三個例子給予說明。

⑴ 輸入調(diào)壓器的異常。本人2000年以前開發(fā)的開關電源都不帶PFC，開關電源輸出的直流加1. 5kW負載（那時沒有真有效值表，無法確定其輸入VA）時，5kVA的調(diào)壓器就發(fā)出相當大的噠噠聲（注意：不是嗡嗡聲），當負載增加到2.5kW時，調(diào)壓器的震動讓人無法忍受。而開關電源加入PFC后，加3kW的直流負載時，調(diào)壓器發(fā)出比較大的嗡嗡聲，完全不影響工作。

⑵ 500kVA的三相變壓器不能夠帶80kW的開關電源負載。浙江某廠在90年代開發(fā)出一種1kW開關電源，用戶要求80臺同時老化。雖然是按三相均分的，但總燒中線保險絲，如果把保險絲電流加大，變壓器發(fā)出異常聲音，并有燒毀的跡象。不得已放棄同時老化。

⑶ 浙江富陽某電鍍廠，購進一臺12V/10kA的可控硅整流電源。開機時全廠所有電子系統(tǒng)全部失靈，專家指出只能加有源功率因數(shù)補償設備。但是，相應的設備比這臺電源還要貴，難以承受。

3 怎么來修正輸入電流的波形

上面分析了危害的根源是輸入電流的非正弦化，原因是在有濾波電容時二極管的導通只在輸入電壓的峰點出現(xiàn)。如果二極管前的電壓能夠始終保持高于電容上的電壓，就能夠使二極管在整個半周期內(nèi)都導通?？梢杂靡粋€和橋式整流輸出相反的補償波形與其疊加，如圖3所示來實現(xiàn)。如果輸入電壓是220V有效值、輸出的直流電壓正好是輸入電壓的峰值311V時, 這補償電壓UL的波谷可到零。一般為了在市電較高時PFC電路也能夠正常工作，取輸出直流電壓為380V～400V，這樣該補償波形在輸入電壓為交流220V時就帶有直流成分70V~90V。

具體電路見圖4，由電感L、開關K、升壓二極管D2構(gòu)成的Boost電路產(chǎn)生這個UL補償波形。

圖中的開關K是由整流后的饅頭波和輸出電壓二者共同控制，是相乘的關系，所以要用到乘法器M。在UC-3845中還加入了前饋電路，即控制開關的脈沖寬度反比于輸入電壓。所以，以上的乘積還要用除法器去除前饋電壓。這樣在輸入電壓大幅度變化時效果比較好。

相對于50kHz~100kHz的高頻開關頻率而言，100Hz饅頭波的一小段可以看做是固定不變的量，所以開關管的驅(qū)動脈沖有一個對應的脈沖寬度，如圖5所示。饅頭波的波峰（正弦波的峰點）就是補償波形的波谷，此時對應的高頻脈沖的寬度最窄；反之，饅頭波的波谷（正弦波過零點時）就是補償波形的波峰，對應的脈沖寬度最寬。要注意的是：圖5是一個示意圖，上下的脈沖并非一一對應的關系。補償電壓UL 波形的一小段，對應下面的的驅(qū)動脈沖可以同寬度的重復上千個，所以時間軸的單位不同。

簡單的DCM電路由于其電感電流跟隨輸入電壓變化，即其峰點的包絡線是和輸入電壓一致的，所以無需乘法器，開關器件只要受輸出電壓控制即可。

采用乘法器的PFC電路，其輸入電流跟隨輸入電壓的效果很好。用UC-3854芯片做的輸出kW級的PFC電路，其輸入電流和輸入電壓分別用雙蹤示波器的Y1、Y2顯示時，二者的波形基本上能夠重合，用失真儀實測其輸入電流的THD≤2%。按公式計算為PF＞0.999 。