開關(guān)電源功率因數(shù)校正電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例之：概述 （一）

第一章 概述：

功率因數(shù)定義及諧波電源設(shè)計(jì)一直是一個極富挑戰(zhàn)性的工作，隨著許多傳統(tǒng)的難題得以解決，一些有關(guān)電源效率的規(guī)范和要求的標(biāo)準(zhǔn)將再次展現(xiàn)新的挑戰(zhàn)。規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的第一個階段其實(shí)已經(jīng)開始，針對降低待機(jī)能耗(低負(fù)載狀態(tài))方面。下一個階段的任務(wù)將更艱巨，就是提高工作狀態(tài)下電源的效率。在美國國家環(huán)保局“能源之星”計(jì)劃以及中國中標(biāo)認(rèn)證中心(CECP)的推動下，世界各地正在公布有關(guān)電源工作效率的新能效標(biāo)準(zhǔn)。這些更有挑戰(zhàn)性的標(biāo)準(zhǔn)將需要電源廠商及其供應(yīng)商(包括半導(dǎo)體供應(yīng)商)共同努力，提供能符合這些新要求的解決方案。

在這些趨勢中，(ICE1000-3-2)標(biāo)準(zhǔn)對功率因數(shù)校正(PFC)或降低諧波電流提出強(qiáng)制要求，為此，近年來在電源結(jié)構(gòu)方面發(fā)生了較大的變化。隨著所有設(shè)備的功率不斷增大，及降低諧波電流的標(biāo)準(zhǔn)不斷普及，越來越多的電源設(shè)計(jì)已經(jīng)采用PFC。設(shè)計(jì)人員因此面臨這樣一個難題，既要在產(chǎn)品中采用合適的PFC，也要滿足降低待機(jī)能耗、提高工作效率和EMI限制等高效指標(biāo)。

功率因數(shù)校正解決方案的選擇范圍包括無源電路到各種有源電路，因應(yīng)用的功率水平和其他參數(shù)的不同，解決方案也會有所不同。近年來隨著分立半導(dǎo)體元件的發(fā)展和更低價(jià)格的控制IC上市，進(jìn)一步拓寬了有源PFC，解決方案的適用范圍。在評估PFC，解決方案時，重要的是要把整個系統(tǒng)的實(shí)施成本和性能結(jié)合起來進(jìn)行綜合評估

(1) 提高功率因數(shù)的意義

1) 提高功率因數(shù)是節(jié)能的要求

功率因數(shù)的大小意味著在視在功率相同的情況下，所能提供給負(fù)載有功率的大小。若將功率因數(shù)從0.65.提高到0.90，則容量為1000kV;A的發(fā)電機(jī)可帶動功率為10kV;A。A的電動機(jī)的臺數(shù)從65臺增加到90臺?？梢?，提高因數(shù)能更充分地利用發(fā)電機(jī)設(shè)備的容量。功率因數(shù)小，不僅浪費(fèi)能源，而且使線路上的電流增加，損耗增大，同時還存在火災(zāi)隱患。

2) 提高因數(shù)是提高電能質(zhì)量，保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求

近年來，電流波形失真已經(jīng)繼相移因數(shù)成為第二個導(dǎo)致功率因數(shù)低的主要原因。大量高次諧波電流涌入各級電網(wǎng)，引起公用電網(wǎng)的電壓波形發(fā)生失真、三相電壓不對稱及電壓的波動和閃變，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)和各種用電設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

3)提高功率因數(shù)是各國限制電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)的要求

我國及國外許多國家均制定、頒發(fā)了控制和限制電力系統(tǒng)諧波的標(biāo)準(zhǔn)，其目的主要是為了控制電網(wǎng)中電壓和電流波形失真在允許范圍內(nèi)，保護(hù)用電設(shè)備的安全運(yùn)行，減少電網(wǎng)污染對通信系統(tǒng)造成的干擾。

功率因數(shù)校正電路對離線電源的輸入電流波形進(jìn)行整形，以使從電源吸取的有功功率最大化。在理想情況下，電器應(yīng)該表現(xiàn)為一個純電阻負(fù)載，此時電器吸收的反射功率為零。在這種情況下，本質(zhì)上不存在輸入電流諧波。電流是輸入電壓(通常是一個正弦波)的完美復(fù)制品，而且與其同相。在這種情況下，對于進(jìn)行所需工作所要求的有功功率而言，從電網(wǎng)電源吸收的電流最小，而且還減小了與配電發(fā)電以及相關(guān)過程中的基本設(shè)備有關(guān)的損耗和成本。由于沒有諧波，也減小了與使用相同電源供電的其他器件之間的干擾。當(dāng)今眾多電源采用PFC，的另一個原因，是為了符合規(guī)范要求。

現(xiàn)在，歐洲的電氣設(shè)備必須符合歐洲規(guī)范EN61000.3.2。這一要求適用于大多數(shù)輸入功率為75W或以上的電器，而且它規(guī)定了包括高達(dá)39次諧波在內(nèi)的工頻諧波的最大幅度。雖然美國還沒有提出此類要求，但是希望在全球銷售產(chǎn)品的電源制造商正在設(shè)計(jì)符合這一要求的產(chǎn)品。

(2)功率因數(shù)的定義

根據(jù)電工學(xué)的基本理論，功率因數(shù)(PE)可簡單地定義為有功功率(P)與視在功率(S)的比值，用公式表示為:

式中

為輸入電流基波有效值

為電網(wǎng)電流有效值，

其中

為各次諧波有效值;U1為輸入電壓基波有效值

為輸入電流畸變因數(shù)，

;

為基波電壓與基波電流之間的相移因數(shù)。

在式(1-1)中，有功功率是一個周期內(nèi)電流和電壓瞬時值乘積的平均值，而視在功率是電流的RMS值與電壓的RMS值的乘積。如果電流和電壓是正弦波而且同相，則功率因數(shù)是1.0。如果兩者是正弦波但是不同相，則功率因數(shù)是相位角的余弦。在電工基礎(chǔ)課程中，功率因數(shù)往往就是如此定義，但是它僅適用于特定情況，即電流和電壓都是純正弦波。這種情況發(fā)生在負(fù)載由電阻、電容和電感元件組成，而且均為線性(不隨電流和電壓變化)的條件下。

所以功率因數(shù)可以定義為輸入電流失真系數(shù)( )與相移因數(shù)( )的乘積?？梢?，功率因數(shù)由輸入電流畸變因數(shù) 和基波電壓、基波電流和位移因數(shù) 決定。

盡管電流波形有嚴(yán)重失真，電流和電壓仍可以完全同相。應(yīng)用”相位角余弦”的定義會得出電源的功率因數(shù)為1.0的錯誤結(jié)論。

低，則設(shè)備的無功功率大，設(shè)備利用率低，導(dǎo)線、變壓器繞組損耗大;

低，表示設(shè)備輸入電流諧波分量大，將造成電流波形畸變，對電網(wǎng)造成污染，使功率因數(shù)降低，嚴(yán)重時，會造成電子設(shè)備損壞。通常的無源電容濾波二極管整流電路的輸入端功率因數(shù)只能達(dá)到0.65左右。

從式(1:1)可見，抑制諧波分量即可達(dá)到減小 ，提高功率因數(shù)的目的。因此可以定性的說諧波的抑制電路即功率因數(shù)校正電路(實(shí)際上有所區(qū)別)。

因?yàn)檩斎腚娐返脑?，開關(guān)模式電源對于電網(wǎng)電源表現(xiàn)為非線性阻抗。輸入電路通常由半波或全波整流器及其后面的儲能電容器組成，該電容器能夠?qū)㈦妷壕S持在接近于輸入正弦波峰值電壓值處，直至下一個峰值到來時對電容再進(jìn)行充電。在這種情況下，只在輸入波形的各峰值處從輸入端吸收電流，而且電流脈沖必須包含足夠的能量，以便在下一個峰值到來之前能維持負(fù)載電壓。這一過程通過在短時間內(nèi)將大量電荷注入電容，然后由電容器緩慢地向負(fù)載放電來實(shí)現(xiàn)，之后再重復(fù)這一周期。電流脈沖為周期的10%-20%是十分常見的，這意味著脈沖電流應(yīng)為平均電流的5-10倍。

前級從220V交流電網(wǎng)整流提供直流是在電力電子技術(shù)及電子設(shè)備中應(yīng)用極為廣泛的一種基本變流方案。但整流器;電容濾波電路是一種非線性器件和儲能元件的組合，因此雖然輸入交流電壓是正弦波，但輸入電流波形卻嚴(yán)重畸變，呈脈沖狀，含有大量的諧波，使輸入電路的功率因數(shù)達(dá)不到0.7。

由于常規(guī)整流裝置使用晶閘管或二極管，整流器件的導(dǎo)通角遠(yuǎn)小于180°，從而產(chǎn)生大量諧波電流成分，而諧波電流不做功，只有基波電流做功，功率因數(shù)很低。全橋整流器電壓和電流波形如圖1-1所示。

圖1-1 全橋整流器電壓和電流波形

因此，必須采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣頊p小輸入電流波形的畸變，提高輸入功率因數(shù)，以減小電網(wǎng)污染。如信息產(chǎn)業(yè)部在通信電源的入網(wǎng)檢測中就要求1500W 以上的電源設(shè)備，其功率因數(shù)必須高于0.92;以下的電源設(shè)備，其功率因數(shù)必須高于0.85。

目前，主要用來提高功率因數(shù)的方法有)電感無源濾波，這種方法對抑制高次諧波有效，但體積大，重量大，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中其應(yīng)用將越來越少;逆變器有源濾波，對各次諧波響應(yīng)快，但設(shè)備造價(jià)昂貴;三相高功率因數(shù)整流器，效率高、性能好，近年來其控制策略和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)處于不斷發(fā)展中。單相有源功率因數(shù)校正(APFC),通常采用Boot電路，CCM工作模式，因其良好的校正效果，目前在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

(1) 諧波

圖1-2電流波形中的諧波成分

圖1-2顯示了電流波形中的諧波成分，基波(在本例中為60Hz)以100%的參考幅度顯示，而高次諧波的幅度則顯示為基波幅度的百分比。注意到幾乎沒有偶次諧波，這是波形對稱的結(jié)果。如果波形包含無限窄和無限高的脈沖(數(shù)學(xué)上稱為 函數(shù))則頻譜會變平坦，這意味著所有諧波的幅度均相同。

從前面的描述可以清楚地看到，高功率因數(shù)和低諧波是一致的。但是，它們之間沒有直接的關(guān)系，總諧波失真和功率因數(shù)的關(guān)系體現(xiàn)在下列等式：

PF=Kd×K (1-2)Kd =

式中，Kd為失真系數(shù);K 為輸入電流的基波分量和輸入電壓的相角系數(shù)。

因此，當(dāng)輸入電流的基波分量和輸入電壓同相時，K =1且PF=Kd×K = Kd

即使是完美的正弦電流，只要它的相位和電壓不一致，也會得出欠佳的功率因數(shù)。對純正弦波電壓和電流而言，由于它的總諧波成分為零，所以波形失真系數(shù)為1，并且正弦波電壓和電流之間相位差

為0，從而電源輸入側(cè)的功率因數(shù)就為1，如果正弦波電壓和電流之間相位差 不為0，則電路的功率因數(shù)是它們相位差 的余弦值。

當(dāng) =0，時(為計(jì)算方便)，功率因數(shù)與THD間存在如表1-1所示的關(guān)系?？梢?，當(dāng)THD≤5%時，功率因數(shù)可控制在0.999左右。由此得出，10%的THD 對應(yīng)大約于0.995的功率因數(shù)。顯然，無論是從電流的最小化還是減小對其他設(shè)備的干擾角度來看，對每個諧波設(shè)定限制可以更好地完成控制輸入電流“污染”的目標(biāo)。雖然這個對輸入電流進(jìn)行整形的過程通常被稱作功率因數(shù)校正，但在國際規(guī)范中，通常以諧波含量來衡量整形是否成功。

因此，如何消除和抑制諧波對公共電網(wǎng)的污染，提高功率因數(shù)成為當(dāng)今國內(nèi)外電源界研究的重要課題。PFC，技術(shù)應(yīng)用到新型開關(guān)電源中，已成為新一代開關(guān)電源的主要標(biāo)志之一。

(4)不良功率因數(shù)的成因

由PF=

可知，PF值由以下兩個因素決定：一是輸入基波電壓與輸入基波電流的相位差 ，二是輸入電流的波形畸變因數(shù)。

① 相控整流電路

對于常見相控整流電路，其基波電壓和基波電流的位移因數(shù)如表1-2所示。

功率因數(shù)低的主要原因是基波電壓和基波電流位移因數(shù) ，即受可控硅控制角 的影響，使電流滯后于電壓，即 ≤1。改善功率因數(shù)的措施，一般是在負(fù)載端并聯(lián)一個性質(zhì)相反的電抗元件。若電網(wǎng)呈感性，通常采用電容補(bǔ)償?shù)姆椒ā?/p>

②開關(guān)整流電路

對開關(guān)整流電路而言，AD/DC前端通常由橋式整流器和大容量濾波器組成如圖1-3所示。在這種電路中，只有當(dāng)線路的峰值電壓大于濾波電容兩端的電壓時，整流元件中才有電流流過，如圖1-4所示。輸入電流i呈尖脈沖形式(u為輸入電壓)，且產(chǎn)生一系列奇次諧波(圖1-5)，致使功率因數(shù)降低，為0.6～0.7。所以，對開關(guān)整流電路而言，不良功率因數(shù)主要源于電流波形的畸變。

圖1-3 AD/DC前端電路圖

圖1-4 輸入電壓與整流二極管波形圖

圖1-4 輸出諧波分量圖

(5) 諧波電流對電網(wǎng)的危害

脈沖狀的輸入電流，含有大量諧波，同時在AC/DA整流輸入端需加濾波電路，增加了體積和成本。諧波電流對電網(wǎng)的危害主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

① 諧波電流的“二次效應(yīng)”，即電流流過線路阻抗造成諧波壓降，反過來使電網(wǎng)電壓波形(原來是正弦波)也發(fā)生畸變。

② 由諧波電流引起電路故障，損壞設(shè)備。如使線路和配電設(shè)備過熱，諧波電流還會引起電網(wǎng)LC諧振，或者高次諧波電流流過電網(wǎng)的高壓電容，使之過流、過熱導(dǎo)致電容器損壞。

③在三相四線制電路中，三次諧波與中線中的電流同相位，合成中線電流很大，可能超過相電流，中線又無保護(hù)裝置，使中性線因過流而導(dǎo)致中性線過熱而引起火災(zāi)并損壞電器設(shè)備。

④諧波電流對自身及同一系統(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，如空調(diào)停止工作等;引起電話網(wǎng)噪聲;引起照明設(shè)備故障，如熒光燈閃滅;造成變電站的電容，扼流圈的過熱、燒損。