開(kāi)關(guān)電源功率因素校正（PFC）及其工作原理

1 引言

開(kāi)關(guān)電源以其效率高、功率密度高而在電源領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位。但傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源存在一個(gè)致命的弱點(diǎn)，功率因數(shù)低，一般為0.45～0.75，而且其無(wú)功分量基本上為高次諧波，其中3次諧波幅度約為基波幅度的95%，5次諧波幅度約為基波幅度的70%，7次諧波幅度約為基波幅度的45%，9次諧波幅度約為基波幅度的25%。大量高次諧波電流倒灌回電網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重的污染。為此，IEC(國(guó)際電工委員會(huì))制定了限制高次諧波的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，最新標(biāo)準(zhǔn)為IEC1000-3-2D類。美國(guó)、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家已制定了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，并強(qiáng)制執(zhí)行，對(duì)于不滿足諧波標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)關(guān)電源不允許上電網(wǎng)。我國(guó)也制定了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。因此，隨著減小諧波標(biāo)準(zhǔn)的廣泛應(yīng)用，更多的電源設(shè)計(jì)需要結(jié)合功率因數(shù)校正(PFC)功能 [1]~[4]。

2 高次諧波和功率因數(shù)校正的關(guān)系

一般開(kāi)關(guān)電源輸入市電經(jīng)整流后對(duì)電容充電，其輸入電流波形為不連續(xù)的脈沖。這種電流除了基波分量外，還含有大量的諧波。其有效值I為：

式(1)中：I1，I2，…，In分別表示輸入電流的基波分量與各次諧波分量。

諧波電流使電力系統(tǒng)的電壓波形發(fā)生畸變，將各次諧波有效值與基波有效值的比稱為總諧波畸變THD(Total Harmonic Distortion)。

它用來(lái)衡量電網(wǎng)的污染程度。脈沖狀電流使正弦電壓波形發(fā)生畸變，它對(duì)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，引起電話網(wǎng)噪音，引起照明設(shè)備的障礙，造成變電站的電容、扼流圈的過(guò)熱、燒損等。

功率因數(shù)定義PFC=有功功率/視在功率，是指被有效利用功率的百分比。沒(méi)有被利用的無(wú)效功率則在電網(wǎng)與電源設(shè)備之間往返流動(dòng)，不僅增加線路損耗，而且成為污染源。

設(shè)電容輸入型電路的輸入電壓為：

輸入電流為：

則有效功率Pac為：

則有效功率Pap為：

從式(2)、(5)可見(jiàn)，抑制諧波分量即可達(dá)到減小THD、提高功率因數(shù)的目的。

3 功率因數(shù)校正的實(shí)現(xiàn)方法

從不同的角度看，功率因數(shù)校正技術(shù)有不同分類方法。從電網(wǎng)供電方式可分為單相PFC電路和三相PFC電路;從采用的校正機(jī)理可分為無(wú)源功率因數(shù)校正(PPFC)和有源功率因數(shù)校正(Active Power Factor Correction，簡(jiǎn)稱APFC)兩種。

無(wú)源功率因數(shù)校正技術(shù)出現(xiàn)最早，通常由大容量的電感、電容組成。它只是針對(duì)電源的整體負(fù)載特性表現(xiàn)，在開(kāi)關(guān)整流器的交流輸入端加入電感量很大的低頻電感，以減小濾波電容充電電流尖峰。由于加入的電感體積大，增加了開(kāi)關(guān)整流器的體積，此方法雖然簡(jiǎn)單，但效果不很理想，適于應(yīng)用到重量體積不受限制的小型設(shè)備。

有源功率因數(shù)校正是用一個(gè)轉(zhuǎn)換器串入整流濾波電路與DC/DC轉(zhuǎn)換器之間(基本原理如圖1所示)，通過(guò)特殊的控制強(qiáng)迫輸入電流跟隨輸入電壓，反饋輸出電壓使之穩(wěn)定，從而使DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入實(shí)現(xiàn)預(yù)穩(wěn)。這種方法的特點(diǎn)是控制復(fù)雜，但體積大大減小，設(shè)計(jì)也易優(yōu)化，從而進(jìn)一步提高了性能。由于這個(gè)方案中應(yīng)用了有源器件，故稱為有源功率因數(shù)校正。

從原理圖來(lái)看，APFC基本電路就是一種開(kāi)關(guān)電源，但它與傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源的區(qū)別在于：DC/DC變換之前沒(méi)有濾波電容，電壓是全波整流器輸出的半波正弦脈動(dòng)電壓，這個(gè)正弦半波脈動(dòng)直流電壓和整流器的輸出電流與輸出的負(fù)載電壓都受到實(shí)時(shí)的檢測(cè)與監(jiān)控，其控制的結(jié)果是達(dá)到全波整流器輸入功率因數(shù)近似為1。

4 功率因數(shù)校正技術(shù)的分類

目前市場(chǎng)上使用較多的是單相高頻開(kāi)關(guān)電源，針對(duì)這種情況，我們對(duì)單相有源功率因數(shù)校正(APFC)作一簡(jiǎn)單分類。

一般主要有兩種基本的APFC：一種是變換器工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式的“電壓跟隨器”型;另一種是變換器工作在連續(xù)導(dǎo)電模式的“乘法器”型。另外，還有三電平PFC技術(shù)、單周期控制的PFC技術(shù)和不連續(xù)電容電壓模式PFC技術(shù)等。還可以從采用的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的角度進(jìn)一步對(duì)上述兩種模式的APFC加以分類。

從軟開(kāi)關(guān)特性來(lái)劃分，APFC電路可分為兩類，一類是零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)PFC技術(shù)，另一類是零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)PFC技術(shù)。按軟開(kāi)關(guān)的具體實(shí)現(xiàn)方法還可進(jìn)一步劃分為：并聯(lián)諧振型、串聯(lián)諧振型、串并聯(lián)諧振型以及準(zhǔn)諧振型等軟開(kāi)關(guān)諧振APFC技術(shù)[5]。

從控制方法來(lái)分，APFC電路可以采用脈寬調(diào)制(PWM)、頻率調(diào)制(FM)、數(shù)字控制、單環(huán)電壓反饋控制、雙環(huán)電流模式控制等多種控制方法。

單相有源功率因數(shù)校正按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為兩級(jí)模式和單級(jí)模式。

4.1兩級(jí)有源功率因數(shù)校正

目前研究的兩級(jí)PFC電路是由兩級(jí)轉(zhuǎn)換器組成：第一級(jí)是PFC轉(zhuǎn)換器，目的在于提高輸入的功率因數(shù)并抑制輸入電流的高次諧波;第二級(jí)為DC/DC轉(zhuǎn)換器，目的在于調(diào)節(jié)輸出以便與負(fù)載匹配。具體實(shí)現(xiàn)方式很多，在通信用大功率開(kāi)關(guān)整流器中，主要采用的方法是在主電路輸入整流和功率轉(zhuǎn)換電路之間串入一個(gè)校正的環(huán)節(jié)(Boost PFC電路)。典型的兩級(jí)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由于兩級(jí)分別有自己的控制環(huán)節(jié)，所以電路有良好的性能。它具有功率因數(shù)高、輸入電流諧波含量低，以及可對(duì)DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。但兩級(jí)PFC電路也有兩個(gè)主要缺點(diǎn)：一是由于有兩套裝置，增加了器件的數(shù)目和成本;二是能量經(jīng)兩次轉(zhuǎn)換，電源的效率也會(huì)有所降低。因此，兩級(jí)PFC電路一般應(yīng)用于功率較大的電路中。對(duì)于小功率的場(chǎng)合，由于成本及體積的限制，一般采用單級(jí)功率因數(shù)校正電路。

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4.2單級(jí)有源功率因數(shù)校正

單級(jí)PFC技術(shù)的基本思想，是將有源PFC轉(zhuǎn)換器和DC/DC轉(zhuǎn)換器合二為一。兩個(gè)轉(zhuǎn)換器共用一套開(kāi)關(guān)管和控制電路(電路如圖3所示)，因此單級(jí)PFC技術(shù)降低了成本，提高了效率，減小了電路的重量和體積。

單級(jí)PFC電路具有許多優(yōu)點(diǎn)：PFC級(jí)和DC/DC級(jí)共用1個(gè)開(kāi)關(guān)管，共用1套控制電路，這就使得電路設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)捷，降低了硬件成本;變換中能提供任何選定的電壓和電流比;由于功率實(shí)現(xiàn)的是一次性變換，所以能獲得較高的效率和可靠性。單級(jí)PFC電路正因?yàn)榫哂羞@些優(yōu)良的性能而越來(lái)越得到廣泛的研究和應(yīng)用。

但是，與傳統(tǒng)的兩級(jí)式DC/DC轉(zhuǎn)換器相比，單級(jí)PFC轉(zhuǎn)換器要承受更高的電壓應(yīng)力，有更多的功率損耗。這個(gè)問(wèn)題在開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)顯得尤為突出。而且，由于開(kāi)關(guān)工作頻率不斷提高所帶來(lái)的電磁干擾問(wèn)題也日益嚴(yán)重，顯著影響了轉(zhuǎn)換器工作的可靠性和頻率的提高。單級(jí)方案中還存在儲(chǔ)能電容電壓過(guò)高的情況，而且儲(chǔ)能電容電壓隨著輸入電壓及負(fù)載的變化而升高，這將會(huì)導(dǎo)致電路的穩(wěn)態(tài)特性受到一定的影響，同時(shí)某些元器件的體積成本會(huì)有所提高，這都是期待解決的問(wèn)題。通過(guò)比較可知，在輸出功率相同的情況下，單級(jí)功率因數(shù)校正電路在功率因數(shù)校正能力和電源的轉(zhuǎn)換效率等方面，相對(duì)于兩級(jí)功率因數(shù)校正電路而言，相對(duì)要差一些。近些年，專家學(xué)者先后提出了許多零電壓及零電流軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，特別是將軟開(kāi)關(guān)技術(shù)與單級(jí)隔離型PFC技術(shù)結(jié)合在一起的方法，另外，怎樣降低儲(chǔ)能電容上的電壓也是現(xiàn)在單級(jí)功率因數(shù)校正研究的熱點(diǎn)。

5 有源功率因數(shù)校正的控制方式

根據(jù)電感電流是否連續(xù)，APFC有下面幾種工作模式：不連續(xù)導(dǎo)通模式DCM(Discontinuous Conduction Mode)和連續(xù)導(dǎo)通模式CCM(Continuous Conduction Mode)。一般認(rèn)為，采用電流連續(xù)導(dǎo)通方式，可利于實(shí)現(xiàn)輸入EMI濾波電路小型化，并可使電流應(yīng)力減小，實(shí)現(xiàn)高效率[6]- [7]。

DCM控制又稱電壓跟蹤方法(Voltage Follower)，它是PFC中簡(jiǎn)單而實(shí)用的一種控制方式。這類轉(zhuǎn)換器工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式，開(kāi)關(guān)管由輸出電壓誤差信號(hào)控制，開(kāi)關(guān)周期為常數(shù)。由于峰值電感電流基本上正比于輸入電壓，因此，輸入電流波形跟隨輸入電壓波形變化。

DCM控制方式的優(yōu)點(diǎn)是：(1)電路簡(jiǎn)單，不需要乘法器;(2)功率管實(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)通(ZCS)且不承受二極管的反向恢復(fù)電流;(3)輸入電流自動(dòng)跟蹤電壓且保持較小的電流畸變率。

但是DCM方式存在著以下兩個(gè)主要問(wèn)題：(1)由于電感電流不連續(xù)，造成電流紋波較大，對(duì)濾波電路要求高;(2)開(kāi)關(guān)管電流應(yīng)力高，在同等容量情況下，DCM中開(kāi)關(guān)器件通過(guò)的峰值電流是CCM的兩倍，由此導(dǎo)致通態(tài)損耗增加，因此只適用于小功率的場(chǎng)合。

中大功率電路通常采用CCM工作方式，而CCM根據(jù)是否直接選取瞬態(tài)電感電流作為反饋量，又可分為直接電流控制和間接電流控制。直接電流控制檢測(cè)整流器的輸入電流作為反饋和被控量，具有系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、限流容易、電流控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。直接電流控制有峰值電流控制(PCMC)，滯環(huán)電流控制(HCC)，平均電流控制(ACMC )，預(yù)測(cè)瞬態(tài)電流控制(PICC)，線性峰值電流控制(LPCM)，非線性載波控制(NLC)等方式。CCM控制方式的優(yōu)點(diǎn)為：(1)輸入和輸出電流紋波小，THD和EMI小;(2)器件導(dǎo)通損耗小;(3)適用于大功率場(chǎng)合。

APFC的控制電路方式很多，為使控制部分簡(jiǎn)單化、小型化，己有IC廠家生產(chǎn)出各種不同性能和用途的專用集成電路，一般控制方式有兩類：利用乘法器控制法及電壓跟隨器方法。乘法器控制法包括：電流峰值控制、電流滯環(huán)控制以及平均電流控制，電壓跟隨器方法包括：零電流連續(xù)控制模式和電流斷續(xù)控制模式。

6 功率因數(shù)校正技術(shù)的發(fā)展方向

開(kāi)關(guān)電源的模擬控制技術(shù)發(fā)展了很多年，各方面都比較成熟，但卻無(wú)法克服其固有的缺點(diǎn);控制電路復(fù)雜，元器件比較多，不利于小型化的發(fā)展;控制電路一旦成型，很難修改，調(diào)試不方便;控制不靈活，復(fù)雜的控制方法用模擬的方法很難實(shí)現(xiàn)。

與傳統(tǒng)的模擬控制器相比，數(shù)字控制器具有更高的可靠性。數(shù)字控制器使用非常少的模擬元器件，可以增加系統(tǒng)的平均無(wú)故障工作時(shí)間(MTBF)，還可以通過(guò)增加監(jiān)視、保護(hù)和預(yù)警等功能提高系統(tǒng)的工作可靠性。

數(shù)字控制器較傳統(tǒng)的模擬控制器，在設(shè)計(jì)上具有更高的靈活性。傳統(tǒng)的模擬控制器是通過(guò)調(diào)節(jié)和改變具體元件的參數(shù)值來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的控制規(guī)律。這樣不可避免地會(huì)造成許多資源上的浪費(fèi)，而且設(shè)計(jì)周期比較長(zhǎng)。而數(shù)字控制器只需通過(guò)軟件編程就可以修改控制規(guī)律，還可以及時(shí)通過(guò)仿真驗(yàn)證，使得對(duì)設(shè)計(jì)工作變得相當(dāng)靈活。當(dāng)電源具體的性能要求改變時(shí)，為了修改控制規(guī)律，對(duì)于模擬控制器來(lái)說(shuō)，需要重新設(shè)計(jì)電路、刻板或布線;而對(duì)于數(shù)字控制器，則可通過(guò)編程來(lái)增加、刪除和修改任何控制參數(shù)，從而極大地縮短了設(shè)計(jì)周期。

數(shù)字控制器易于實(shí)現(xiàn)與其它數(shù)字設(shè)備之間的接口，從而具有較好的兼容性。在諸多產(chǎn)品中，便 攜數(shù)字設(shè)備(如PDA、無(wú)線電話、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)等)對(duì)開(kāi)關(guān)電源的要求日益提高，如多級(jí)輸出、節(jié)約功耗、運(yùn)行模式、電磁兼容等問(wèn)題。

鑒于數(shù)字控制器的上述卓越優(yōu)點(diǎn)，數(shù)字控制器在電力電子應(yīng)用領(lǐng)域中大有取代模擬控制器的趨勢(shì)。用于開(kāi)關(guān)電源的數(shù)字控制器已經(jīng)在電力電子領(lǐng)域中引起了越來(lái)越多的關(guān)注。

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作者簡(jiǎn)介

姚志樹(shù)(1978-)，男，江蘇鹽城市人，碩士，講師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)、電源技術(shù)。