開關電源功率因數(shù)校正電路設計與應用實例之：概述 （一）

第一章 概述：

功率因數(shù)定義及諧波電源設計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，一些有關電源效率的規(guī)范和要求的標準將再次展現(xiàn)新的挑戰(zhàn)。規(guī)范標準的第一個階段其實已經(jīng)開始，針對降低待機能耗(低負載狀態(tài))方面。下一個階段的任務將更艱巨，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”計劃以及中國中標認證中心(CECP)的推動下，世界各地正在公布有關電源工作效率的新能效標準。這些更有挑戰(zhàn)性的標準將需要電源廠商及其供應商(包括半導體供應商)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)標準對功率因數(shù)校正(PFC)或降低諧波電流提出強制要求，為此，近年來在電源結(jié)構方面發(fā)生了較大的變化。隨著所有設備的功率不斷增大，及降低諧波電流的標準不斷普及，越來越多的電源設計已經(jīng)采用PFC。設計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，也要滿足降低待機能耗、提高工作效率和EMI限制等高效指標。

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體元件的發(fā)展和更低價格的控制IC上市，進一步拓寬了有源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)的實施成本和性能結(jié)合起來進行綜合評估

(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)電機可帶動功率為10kV;A。A的電動機的臺數(shù)從65臺增加到90臺。可見，提高因數(shù)能更充分地利用發(fā)電機設備的容量。功率因數(shù)小，不僅浪費能源，而且使線路上的電流增加，損耗增大，同時還存在火災隱患。

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，嚴重威脅電網(wǎng)和各種用電設備的安全經(jīng)濟運行。

3)提高功率因數(shù)是各國限制電網(wǎng)諧波標準的要求

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)諧波的標準，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)，保護用電設備的安全運行，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，電器應該表現(xiàn)為一個純電阻負載，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)的完美復制品，而且與其同相。在這種情況下，對于進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)電以及相關過程中的基本設備有關的損耗和成本。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計符合這一要求的產(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。

盡管電流波形有嚴重失真，電流和電壓仍可以完全同相。應用”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，則設備的無功功率大，設備利用率低，導線、變壓器繞組損耗大;

低，表示設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，嚴重時，會造成電子設備損壞。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)只能達到0.65左右。

從式(1:1)可見，抑制諧波分量即可達到減小 ，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(實際上有所區(qū)別)。

因為輸入電路的原因，開關模式電源對于電網(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載放電來實現(xiàn)，之后再重復這一周期。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及電子設備中應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，整流器件的導通角遠小于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?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 以上的電源設備，其功率因數(shù)必須高于0.92;以下的電源設備，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)品設計中其應用將越來越少;逆變器有源濾波，對各次諧波響應快，但設備造價昂貴;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撲結(jié)構處于不斷發(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)品設計中得到越來越廣泛的應用。

(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系，總諧波失真和功率因數(shù)的關系體現(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 =0，時(為計算方便)，功率因數(shù)與THD間存在如表1-1所示的關系?？梢姡擳HD≤5%時，功率因數(shù)可控制在0.999左右。由此得出，10%的THD 對應大約于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備的干擾角度來看，對每個諧波設定限制可以更好地完成控制輸入電流“污染”的目標。雖然這個對輸入電流進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)成為當今國內(nèi)外電源界研究的重要課題。PFC，技術應用到新型開關電源中，已成為新一代開關電源的主要標志之一。

(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，通常采用電容補償?shù)姆椒ā?/p>

②開關整流電路

對開關整流電路而言，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”，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，損壞設備。如使線路和配電設備過熱，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，中線又無保護裝置，使中性線因過流而導致中性線過熱而引起火災并損壞電器設備。

④諧波電流對自身及同一系統(tǒng)的其他電子設備產(chǎn)生惡劣的影響，如)引起電子設備的誤操作，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。