开关电源功率因数校正电路设计与应用实例之：概述（二）

(6) 开关电源的功率因数

开关电源以其效率高、功率密度高而在电源领域中占主导地位，开关电源多数是通过整流器与电力网相接的，经典的整流器是由二极管或晶闸管组成的一个非线性电路，在电网中会产生大量的电流谐波和无功功率而污染电网，成为电力公害。传统的开关电源存在一个致命的弱点，即功率因数较低，一般仅为0.45～0.75，而且其无功分量基本上为高次谐波，其中三次谐波的幅度约为基波幅度的95%，五次谐波的幅度约为基波幅度的70%，七次谐波的幅度约为基波幅度的45%，九次谐波的幅度约为基波幅度25%。

开关电源已成为电网最主要的谐波源之一，针对高次谐波的危害，从”//)年起国际上开始以立法的形式限制高次谐波，传统的开关电源在此限制之列。我国国家技术监督局在1993年颁布了国家标准GB/T 14549-93《电能质量公用电网谐波》。国际电工委员会(International Electrotechnical Commission IEC)于1998年对谐波标准IEC5552进行了修正，另外还制定了IEC61000-3-2标准，其A类标准对电网谐波的要求见表1-3。传统整流器因谐波远远超标而面临前所未有的挑战。

抑制开关电源产生谐波的方法主要有两种：一是被动法，即采用无源滤波或有源滤波电路来旁路或滤除谐波;二是主动法，即设计新一代高性能整流器，它具有输入电流为正弦波、谐波含量低、功率因数高等特点，即具有功率因数校正功能。国外改善开关电源功率因数的研发工作的重点，主要是在功率因数校正电路的拓扑结构和功率因数校正控制IC(如UC3842～UC3855A系列,KA7524,TDA4814)的开发等领域展开研发工作。国内一些厂家也做了类似的工作，采用功率因数校正电路的开关电源，其功率因数可达到0.95～0.99近似于1。近年来功率因数校正电路得到了很大的发展，为电力电子学研究的重要方向之一。

常规开关电源的功率因数低的根源是整流电路后的滤波电容使输出电压平滑，但却使输入电流变为尖脉冲，如图1-6所示，而整流电路后面不加滤波电路，仅为电阻性负载时，输入电流即为正弦波，并且与电源电压同相位，功率因数为1。

于是功率因数校正电路的基本思想是将整流器与滤波电容隔开，使整流电路由电容性负载变为电阻性负载。在功率因数校正电路中，其隔离型电路如图1-7所示。但这种电路结构不能实现输入与输出的电隔离。

图1-6 常规开关电源输入电压与输入电流波形

图1-7 基本隔离型PFC电路

图1-8 电容输入的电路

新型低污染、高效率、低应力、低输出纹波开关电源主要包括EMI及浪涌吸收滤波电路，前级有源软开关功率因数校正电路，相移谐振软开关DC/DC变换电路及输出纹波抑制电路等。

一般开关电源的输入整流电路如图1-8所示，市电经整流后对电容充电，其输入电流波形为不连续的脉冲，如图1-9所示。这种电流除了基波分量外，还含有大量的谐波，其有效值I为：

式中

，分别表示输入电流的基波分量与各次谐波分量。

谐波电流使电力系统的电压波形发生畸变，将各次谐波有效值与基波有效值的比称之为总谐波畸变(Total Harmonic Distortion，THD)其表达式为：

THD=

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”的任务。

(1)功率因数校正的基本原理

由功率因数PF= =1可知，要提高功率因数，有两个途径：

① 使输入电压、输入电流同相位。此时 =1，所以所以PF= 。

②使输入电流正弦化。即 =I1(谐波为零),有 /I1=1。

利用功率因数校正技术可以使交流输入电流波形完全跟踪交流输入电压波形，使输入电流波形呈纯正弦波，并且和输入电压同相位，此时整流器的负载可等效为纯电阻，所以有的地方又把功率因数校正电路叫做电阻仿真器。

功率因数校正电路，基本上是一个AC/DC变换器。一个标准的变换器利用脉冲波宽度调变(Pulse Width Modulation,PWM)来调整输入功率的大小，以供应适当的负载所需的功率，脉冲波宽度调变器控制切换开关(通常利用功率MOSFET来达成)将DC输入电压切成一串电压脉冲波，随后利用变压器和快速二极管将其转成平滑的DC电压输出，这个输出电压随即与一个参考电压(这个电压是电源供应器应该输出的标准电压值)做比较，所产生的电压差回馈至PWM控制器，利用这个误差电压信号来改变脉冲波宽度的大小，如果输出电压过高，脉冲波宽度会减小，进而使输出电压降低，以使输出电压回复至正常输出值。

PFC增加了一个更先进的器件，使得来自AC电源的电流是一个正弦波并且与AC电压同相位，此时误差电压信号的调变是由整流后的AC电压和输出电压的变化来控制，最后误差电压信号回馈至PWM控制器，也就是说当AC电压较高时PFC就从AC电源吸取较多的功率，反之若AC电压较低则吸取较少的功率，如此可以减少AC电流的谐波产生。

(2)PFC技术分类

功率因数校正电路分为有源和无源两类，无源校正电路通常由大容量的电感、电容组成。虽然无源功率因数校正电路得到的功率因数不如有源功率因数校正电路高，但仍然可以使功率因数提高到0.7～0.8，因而在中小功率电源中被广泛采用。无源PFC，电路的结构也较为简单，实际上是采用矽钢片制成的工频电感，它利用电感线圈内部电流不能突变的原理调节电路中的电压及电流的相位差，使电流趋向于正弦化以提高功率因数。无源PFC结构笨重，工作时常带有低频振动并引发低频噪声，相对于有源PFC电路，无源PFC的功率因数要低得多，一般只有70%左右。无源PFC固有的不可克服的缺点如下。[!--empirenews.page--]

① 当欧洲的谐波规范越来越严格时，电感量产的质量需提升，而生产难度将提高。

② 电源重量和体积增加。

③ 如电源内部结构固定的不正确，电感容易产生振动噪声。

④ 当电源功率超过300W以上，无源PFC，在材料成本及产品性能表现上将突出其不可克服的多种的缺陷。

有源功率因数校正电路自20世纪90年代以来得到了迅速推广，它是在桥式整流器与输出电容滤波器之间加入一个功率变换电路，使功率因数接近1。有源PFC具有体积小、重量轻的特点，通过专用IC去调整电流的波形，对电流电压间的相位差进行补偿。

有源PFC，可以达到较高的功率因数，通常可达98%以上，具有输入电压范围宽等优越的电气性能，但成本也相对较高。此外，有源PFC，还可用作辅助电源，因此在使用有源PFC中，往往不需要待机变压器，而且有源PFC，输出直流电压的纹波很小，这种电源不必采用很大容量的滤波电容。与无源PFC类似，有源PFC，工作时也会产生噪声，只不过是高频噪声。相对于无源PFC，有源PFC复杂，成本较无源PFC，要高得多，有源PFC工作于高频开关状态，体积小、重量轻，比无源

功率因数校正电路效率高。主要应用于中高端电源产品。相对于无源PFC，有源PFC，具有的优点如下。

① 校正效果远优于欧洲的。3谐波规范，即便未来规格更趋严格也都能符合规定。

② 随着IC器件需求增加，成本将随之降低。

③ 能以较低成本带来全域电压的高附加价值。

④ 功率因数接近完美的100%，使电力利用率极佳化，对环保有益。

⑤ 随着未来CPU的发展趋势，输出瓦数(电力)要求将越来越高，有源PFC，因成本不随输出瓦数增加而上升，故拥有较好竞争力。

(3)有源PFC技术分类

从不同的角度看，有源功率因数校正技术有多种分类方法。从电网供电方式可分为单相PFC电路和三相PFC电路。

从软开关特性来划分，有源PFC可分为两类：零电流开关PFC技术。零电压开关PFC，技术。按实现软开关的具体方法还可以进一步划分：并联谐振型、串联谐振型以及准谐振型。

从控制方法来分，有源功率因数校正可以采用脉宽调制(PWM)、频率调制(FM)、单环电压反馈控制、双环电流模式控制、数字控制、滑模控制以及单周期控制以及其他各种控制方法。

从拓扑结构上划分，有源功率因数校正电路可分为预调整器型PFC以及单级组合PFC，变换器两种形式，后者被认为是较理想的有源功率因数校正电路结构。

一般认为有两种基本的有源PFC技术，一种是变换器工作在连续导电模式的”乘法器”型；另一种是变换器工作在不连续导电模式的”电压跟随器&型”实际上还有磁放大PFC，技术、三电平PFC，技术和不连续电容电压模式(DCVM) PFC技术等。

有源功率因数校正(Active Power Factor Correction，APFC)技术是直接采用有源开关或AC/DC变换技术，使输入电流成为和电网电压同相位的正弦波。在整流器和负载之间接入一个DC/DC开关变换器，应用电流反馈技术，使输入端电流ii波形跟踪交流输入正弦电压波形，使电网输入端的电流波形逼近正弦波，并与输入的电网电压同相位。主要优点是：可得到较高的功率因数，总谐波畸变THD小，可在较宽输入电压范围和宽带下工作，体积、重量小，输出电压也可保持恒定。主要缺点是:电路复杂，MTBF (平均无故障时间)下降，成本较高，效率会有所降低等。有源功率因数校正技术已广泛应用AC/DC开关电源，交流不间断电源(UPS)等领域。

①按有源功率因数校正拓扑分类

a.降压式。因噪声大，滤波困难，功率开关管上电压应力大，控制驱动电平浮动，很少被采用。

b.升/降压式。须用两个功率开关管，有一个功率开关管的驱动控制信号浮动，电路复杂，较少采用。

c.反激式。输出与输入隔离，输出电压可以任意选择，采用简单电压型控制，适用于150W以下功率的应用场合。

d.升压式(Boost)。简单电流型控制，PF值高，总谐波失真(THD)小，效率高，但是输出电压高于输入电压。适用于75～2000W功率范围的应用场合，应用最为广泛。它具有以下优点：电路中的电感L适用于电流型控制，由于升压型APFC的预调整作用在输出电容器C上保持高电压，所以电容器C体积小、储能大，在整个交流输入电压变化范围内能保持很高的功率因数，当输入电流连续时，易于EMI滤波，升压电感L能阻止快速的电压、电流瞬变，提高了电路工作可靠性。

②按输入电流的控制原理分类

a.平均电流型。工作频率固定，输入电流连续(CCM),波形图如图1-10(a)所示。TI公司的UC3854就工作在平均电流控制方式。

这种控制方式的优点是：恒频控制，工作在电感电流连续状态，开关管电流有效值小、EMI滤波器体积小；能抑制开关噪声；输入电流波形失真小。

主要缺点是：控制电路复杂，须用乘法器和除法器，需检测电感电流，需电流控制环路。

b.滞后电流型。工作频率可变，电流达到滞后带内发生功率开关通与断操作，使输入电流上升、下降。电流波形平均值取决于电感输入电流，波形图如图1-10(b)所示。

c.峰值电流型。工作频率变化，电流不连续(DCM)工作波形图如图1-10(c)

所示。DCM采用跟随器方法具有电路简单、易于实现的优点，但存在以下缺点：

·功率因数和输入电压Uin与输出电压Uo的比值Uin/Uo有关，即当Uin变化时，功率因数PF值也将发生变化，同时输入电流波形随Uin/Uo的加大而THD变大。

·开关管的峰值电流大(在相同容量情况下，DCM中通过开关器件的峰值电流为CCM的两倍),从而导致开关管损耗增加。所以在大功率APFC中，常采用CCM方式。

d.电压控制型。工作频率固定，电流不连续，采用固定占空比的方法，电流自动跟随电压。这种控制方法一般用在输出功率比较小的场合，另外在单级功率因数校正中多采用这种方法，工作波形图如图1-10(d)所示。

③ 其他控制方法

a.非线性载波控制技术。非线性载波控制(NLC)不需要采样电压，内部电路作为乘法器，即载波发生器为电流控制环产生时变参考信号。这种控制方法工作在CCM模式，可用于Flyback、Cuk、Boost等拓扑中，其调制方式有脉冲前沿调制和脉冲后沿调制。

b.单周期控制技术。单周期控制是一种非线性控制技术。该控制方法的突出特点是无论是稳态还是暂态，它都能保持受控量(通常为斩波波形)的平均值恰好等于或正比于给定值，即能在一个开关周期内，有效地抑制电源侧的扰动，既没有稳态误差，也没有暂态误差，这种控制技术可广泛应用于非线性系统的场合，不必考虑电流模式控制中的人为补偿。

c.电荷泵控制技术。利用电流互感器检测开关管的开通电流，并给检测电容充电，当充电电压达到控制电压时关闭开关管，并同时放掉检测电容上的电压，直到下一个时钟脉冲到来使开关管再次开通，控制电压与电网输入电压同相位，并按正弦规律变化。由于控制信号实际为开关电流在一个周期内的总电荷，因此称为电荷控制方式。

(4)功率因数校正电路的结构形式

功率因数校正电路(PFC)分为有源和无源两种。无源校正电路通常由大容量的电感、电容和工作于工频电源的整流器组成。有源校正电路往往工作于高频开关状态，它们的体积小、重量轻，比无源校正电路效率高。图1-1是功率因数校正电路的三种不同结构形式。不同的结构形式各有其特点，见表1-4

图1-11功率因数校正电路的不同形式

表1-4三种功率因数校正电路的特点