开关电源功率因数校正电路设计与应用实例之：概述 （一）

第一章 概述：

功率因数定义及谐波电源设计一直是一个极富挑战性的工作，随着许多传统的难题得以解决，一些有关电源效率的规范和要求的标准将再次展现新的挑战。规范标准的第一个阶段其实已经开始，针对降低待机能耗(低负载状态)方面。下一个阶段的任务将更艰巨，就是提高工作状态下电源的效率。在美国国家环保局“能源之星”计划以及中国中标认证中心(CECP)的推动下，世界各地正在公布有关电源工作效率的新能效标准。这些更有挑战性的标准将需要电源厂商及其供应商(包括半导体供应商)共同努力，提供能符合这些新要求的解决方案。

在这些趋势中，(ICE1000-3-2)标准对功率因数校正(PFC)或降低谐波电流提出强制要求，为此，近年来在电源结构方面发生了较大的变化。随着所有设备的功率不断增大，及降低谐波电流的标准不断普及，越来越多的电源设计已经采用PFC。设计人员因此面临这样一个难题，既要在产品中采用合适的PFC，也要满足降低待机能耗、提高工作效率和EMI限制等高效指标。

功率因数校正解决方案的选择范围包括无源电路到各种有源电路，因应用的功率水平和其他参数的不同，解决方案也会有所不同。近年来随着分立半导体元件的发展和更低价格的控制IC上市，进一步拓宽了有源PFC，解决方案的适用范围。在评估PFC，解决方案时，重要的是要把整个系统的实施成本和性能结合起来进行综合评估

(1) 提高功率因数的意义

1) 提高功率因数是节能的要求

功率因数的大小意味着在视在功率相同的情况下，所能提供给负载有功率的大小。若将功率因数从0.65.提高到0.90，则容量为1000kV;A的发电机可带动功率为10kV;A。A的电动机的台数从65台增加到90台。可见，提高因数能更充分地利用发电机设备的容量。功率因数小，不仅浪费能源，而且使线路上的电流增加，损耗增大，同时还存在火灾隐患。

2) 提高因数是提高电能质量，保证电力系统安全稳定运行的要求

近年来，电流波形失真已经继相移因数成为第二个导致功率因数低的主要原因。大量高次谐波电流涌入各级电网，引起公用电网的电压波形发生失真、三相电压不对称及电压的波动和闪变，严重威胁电网和各种用电设备的安全经济运行。

3)提高功率因数是各国限制电网谐波标准的要求

我国及国外许多国家均制定、颁发了控制和限制电力系统谐波的标准，其目的主要是为了控制电网中电压和电流波形失真在允许范围内，保护用电设备的安全运行，减少电网污染对通信系统造成的干扰。

功率因数校正电路对离线电源的输入电流波形进行整形，以使从电源吸取的有功功率最大化。在理想情况下，电器应该表现为一个纯电阻负载，此时电器吸收的反射功率为零。在这种情况下，本质上不存在输入电流谐波。电流是输入电压(通常是一个正弦波)的完美复制品，而且与其同相。在这种情况下，对于进行所需工作所要求的有功功率而言，从电网电源吸收的电流最小，而且还减小了与配电发电以及相关过程中的基本设备有关的损耗和成本。由于没有谐波，也减小了与使用相同电源供电的其他器件之间的干扰。当今众多电源采用PFC，的另一个原因，是为了符合规范要求。

现在，欧洲的电气设备必须符合欧洲规范EN61000.3.2。这一要求适用于大多数输入功率为75W或以上的电器，而且它规定了包括高达39次谐波在内的工频谐波的最大幅度。虽然美国还没有提出此类要求，但是希望在全球销售产品的电源制造商正在设计符合这一要求的产品。

(2)功率因数的定义

根据电工学的基本理论，功率因数(PE)可简单地定义为有功功率(P)与视在功率(S)的比值，用公式表示为:

式中

为输入电流基波有效值

为电网电流有效值，

其中

为各次谐波有效值;U1为输入电压基波有效值

为输入电流畸变因数，

;

为基波电压与基波电流之间的相移因数。

在式(1-1)中，有功功率是一个周期内电流和电压瞬时值乘积的平均值，而视在功率是电流的RMS值与电压的RMS值的乘积。如果电流和电压是正弦波而且同相，则功率因数是1.0。如果两者是正弦波但是不同相，则功率因数是相位角的余弦。在电工基础课程中，功率因数往往就是如此定义，但是它仅适用于特定情况，即电流和电压都是纯正弦波。这种情况发生在负载由电阻、电容和电感元件组成，而且均为线性(不随电流和电压变化)的条件下。

所以功率因数可以定义为输入电流失真系数( )与相移因数( )的乘积。可见，功率因数由输入电流畸变因数 和基波电压、基波电流和位移因数 决定。

尽管电流波形有严重失真，电流和电压仍可以完全同相。应用”相位角余弦”的定义会得出电源的功率因数为1.0的错误结论。

低，则设备的无功功率大，设备利用率低，导线、变压器绕组损耗大;

低，表示设备输入电流谐波分量大，将造成电流波形畸变，对电网造成污染，使功率因数降低，严重时，会造成电子设备损坏。通常的无源电容滤波二极管整流电路的输入端功率因数只能达到0.65左右。

从式(1:1)可见，抑制谐波分量即可达到减小 ，提高功率因数的目的。因此可以定性的说谐波的抑制电路即功率因数校正电路(实际上有所区别)。

因为输入电路的原因，开关模式电源对于电网电源表现为非线性阻抗。输入电路通常由半波或全波整流器及其后面的储能电容器组成，该电容器能够将电压维持在接近于输入正弦波峰值电压值处，直至下一个峰值到来时对电容再进行充电。在这种情况下，只在输入波形的各峰值处从输入端吸收电流，而且电流脉冲必须包含足够的能量，以便在下一个峰值到来之前能维持负载电压。这一过程通过在短时间内将大量电荷注入电容，然后由电容器缓慢地向负载放电来实现，之后再重复这一周期。电流脉冲为周期的10%-20%是十分常见的，这意味着脉冲电流应为平均电流的5-10倍。

前级从220V交流电网整流提供直流是在电力电子技术及电子设备中应用极为广泛的一种基本变流方案。但整流器;电容滤波电路是一种非线性器件和储能元件的组合，因此虽然输入交流电压是正弦波，但输入电流波形却严重畸变，呈脉冲状，含有大量的谐波，使输入电路的功率因数达不到0.7。

由于常规整流装置使用晶闸管或二极管，整流器件的导通角远小于180°，从而产生大量谐波电流成分，而谐波电流不做功，只有基波电流做功，功率因数很低。全桥整流器电压和电流波形如图1-1所示。

图1-1 全桥整流器电压和电流波形

因此，必须采取适当的措施来减小输入电流波形的畸变，提高输入功率因数，以减小电网污染。如信息产业部在通信电源的入网检测中就要求1500W 以上的电源设备，其功率因数必须高于0.92;以下的电源设备，其功率因数必须高于0.85。

目前，主要用来提高功率因数的方法有)电感无源滤波，这种方法对抑制高次谐波有效，但体积大，重量大，在产品设计中其应用将越来越少;逆变器有源滤波，对各次谐波响应快，但设备造价昂贵;三相高功率因数整流器，效率高、性能好，近年来其控制策略和拓扑结构处于不断发展中。单相有源功率因数校正(APFC),通常采用Boot电路，CCM工作模式，因其良好的校正效果，目前在产品设计中得到越来越广泛的应用。

(1) 谐波

图1-2电流波形中的谐波成分

图1-2显示了电流波形中的谐波成分，基波(在本例中为60Hz)以100%的参考幅度显示，而高次谐波的幅度则显示为基波幅度的百分比。注意到几乎没有偶次谐波，这是波形对称的结果。如果波形包含无限窄和无限高的脉冲(数学上称为 函数)则频谱会变平坦，这意味着所有谐波的幅度均相同。

从前面的描述可以清楚地看到，高功率因数和低谐波是一致的。但是，它们之间没有直接的关系，总谐波失真和功率因数的关系体现在下列等式：

PF=Kd×K (1-2)Kd =

式中，Kd为失真系数;K 为输入电流的基波分量和输入电压的相角系数。

因此，当输入电流的基波分量和输入电压同相时，K =1且PF=Kd×K = Kd

即使是完美的正弦电流，只要它的相位和电压不一致，也会得出欠佳的功率因数。对纯正弦波电压和电流而言，由于它的总谐波成分为零，所以波形失真系数为1，并且正弦波电压和电流之间相位差

为0，从而电源输入侧的功率因数就为1，如果正弦波电压和电流之间相位差 不为0，则电路的功率因数是它们相位差 的余弦值。

当 =0，时(为计算方便)，功率因数与THD间存在如表1-1所示的关系。可见，当THD≤5%时，功率因数可控制在0.999左右。由此得出，10%的THD 对应大约于0.995的功率因数。显然，无论是从电流的最小化还是减小对其他设备的干扰角度来看，对每个谐波设定限制可以更好地完成控制输入电流“污染”的目标。虽然这个对输入电流进行整形的过程通常被称作功率因数校正，但在国际规范中，通常以谐波含量来衡量整形是否成功。

因此，如何消除和抑制谐波对公共电网的污染，提高功率因数成为当今国内外电源界研究的重要课题。PFC，技术应用到新型开关电源中，已成为新一代开关电源的主要标志之一。

(4)不良功率因数的成因

由PF=

可知，PF值由以下两个因素决定：一是输入基波电压与输入基波电流的相位差 ，二是输入电流的波形畸变因数。

① 相控整流电路

对于常见相控整流电路，其基波电压和基波电流的位移因数如表1-2所示。

功率因数低的主要原因是基波电压和基波电流位移因数 ，即受可控硅控制角 的影响，使电流滞后于电压，即 ≤1。改善功率因数的措施，一般是在负载端并联一个性质相反的电抗元件。若电网呈感性，通常采用电容补偿的方法。

②开关整流电路

对开关整流电路而言，AD/DC前端通常由桥式整流器和大容量滤波器组成如图1-3所示。在这种电路中，只有当线路的峰值电压大于滤波电容两端的电压时，整流元件中才有电流流过，如图1-4所示。输入电流i呈尖脉冲形式(u为输入电压)，且产生一系列奇次谐波(图1-5)，致使功率因数降低，为0.6～0.7。所以，对开关整流电路而言，不良功率因数主要源于电流波形的畸变。

图1-3 AD/DC前端电路图

图1-4 输入电压与整流二极管波形图

图1-4 输出谐波分量图

(5) 谐波电流对电网的危害

脉冲状的输入电流，含有大量谐波，同时在AC/DA整流输入端需加滤波电路，增加了体积和成本。谐波电流对电网的危害主要表现在以下几个方面。

① 谐波电流的“二次效应”，即电流流过线路阻抗造成谐波压降，反过来使电网电压波形(原来是正弦波)也发生畸变。

② 由谐波电流引起电路故障，损坏设备。如使线路和配电设备过热，谐波电流还会引起电网LC谐振，或者高次谐波电流流过电网的高压电容，使之过流、过热导致电容器损坏。

③在三相四线制电路中，三次谐波与中线中的电流同相位，合成中线电流很大，可能超过相电流，中线又无保护装置，使中性线因过流而导致中性线过热而引起火灾并损坏电器设备。

④谐波电流对自身及同一系统的其他电子设备产生恶劣的影响，如)引起电子设备的误操作，如空调停止工作等;引起电话网噪声;引起照明设备故障，如荧光灯闪灭;造成变电站的电容，扼流圈的过热、烧损。