功率因数校正浅析

功率因数校正浅析

功率因数是衡量电器设备性能的一项重要指标。功率因数低的电器设备，不仅不利于电网传输功率的充分利用，而且往往这些电器设备的输入电流谐波含量较高，实践证明，较高的谐波会沿输电线路产生传导干扰和辐射干扰，影响其它用电设备的安全经济运行。如对发电机和变压器产生附加功率损耗，对继电器、自动保护装置、电子计算机及通讯设备产生干扰而造成误动作或计算误差。因此。防止和减小电流谐波对电网的污染，抑制电磁干扰，已成为全球性普遍关注的问题。国际电工委与之相关的电磁兼容法规对电器设备的各次谐波都做出了限制性的

要求，世界各国尤其是发达国家已开始实施这一标准。

随着减小谐波标准的广泛应用，更多的电源设计结合了功率因数校正(PFC)功能。设计人员面对着实现适当的PFC段，并同时满足其它高效能标准的要求及客户预期成本的艰巨任务。许多新型PFC拓扑和元件选择的涌现，有助设计人员优化其特定应用要求的设计

在电源的设计中，APFC一般是优先考虑的校正方法。作为设计人员，大致从以

下几个方面对APFC进行考虑：

拓扑选择的一般方法

由于输入端存在电感，升压转换器是提供高功率因数的方法。此电感使输入电流整形与线路电压同相。但是，可以采用不同的方案来控制电感电流的瞬时值，以获得功率因数校正。

a．临界导电模式(CRM)PFC——由于控制的设计较为简单，而且可与较低速升压二极管配合使用，所以在较低功率应用中通常采用此方法。

b．不连续导电模式(DCM)PFC——此创新的方案延承了CRM 的优点，并消除了若干限制。

c．连续导电模式(CCM)PFC——由于这种方案恒频且峰值电流较小，是较高功率(>250 W)应用的首选方案。但是，传统的控制解决方案较为复杂，牵涉到多个环路，以及以不精确著称的模拟乘法器，并需在控制集成电路周围放许多元件。

二、选择标准

1、功率水平

a．如果功率水平低于150 W，最好采用CRM或DCM方案。至于CRM 或DCM，取

决于你是想优化满载效率，采用CRM；而如欲减少EMI问题，选择DCM。

b．如功率水平高于250W，CCM是首选方案。此方案虽然可保持峰值电流和有效值电流，但必须解决二极管反向恢复问题。

c．如功率水平在150W 与250w之间，方案的选择则取决于设计人员的磁件设计水平。

d．如果功率在几kw之上，则采用可控整流电路代替不控整流电路，控制方法采用pwm整流，以实现功率因数的矫正。

2、其它系统要求：拓扑的选择还以满足各种高能效标准。例如，如果需要使系统中的频率同步，则不能采用CRM。此外，如果第二个功率段可处理较大范围(在某些功率序列安排中可能需要)的输入电压，则应选择跟随升压。

功率因数的限制因数

为什么在一般的电路中功率因数较低呢？有很多因数的影响。其中影响功率因数的主要原因是这些电器的整流电源普遍采用的电容滤波型桥式整流电路（图1）

这种电路的基本工作过程是：在交流输入电压的正半周，D1、D3导通，交流电压通过Dl、D3对滤波电容C充电，若Dl、D3的正向电阻用r表示，交流电源内阻用R表示，则充电时间常数可近似表示为：

由于二极管的正向电阻r和交流电源内阻R很小，故r很小。滤波电容C很快被充电到交流输入电压的峰值，当交流电源输入电压小于滤波电容C的端电压时，Dl、D3就处于截止状态；同理，可分析负半周D2、D4的工作情况。由分析不难看出，当电路达到稳态后，在交流输入电压的一个周期内二极管导通时间很短，输入电流波形畸变为幅度很大的窄脉冲电流(图2)。

由上图可分析出，这种畸变的电流含有丰富的谐波成分，严重影响电器设备的功率因数。由理论推导也可以证明，功率因数与电流总谐波含量的近似关系为：

因此，降低电器设备的输入电流谐波含量是提高功率因数的根本措施。

为了提高效率，减少谐波畸变率，必须进行功率因数校正。为了减少成本，在低功率的条件下，采用无源功率因数校正电路，文献提出了一种逐流充放电式的无源校正电路，并在此基础上对逐流充放电式的无源校正电路进行了拓扑，其中提出的电路拓扑适用于小功率，低损耗，成本低的条件下使用。

无源功率因数校正的发展

一般二极管整流电路存在许多问题，一般采用六种无源功率因数校正：整流滤波电路、整流滤波电路、谐振式整流滤波电路、逐流式（填谷）整流滤波电路、直流反馈式整流滤波电路，高频反馈式整流滤波电路。

一、整流滤波电路

此种电路在前面做过详细的分析，这里不做过多的介绍，仅作简单分析。

方案优点：原理、结构简单，成本最低，效率较高。

方案缺点：整流桥导通时的冲击电流大，功率因数低，谐波成分多。

二、整流滤波电路

由于电感L对电流的缓冲作用，使整流桥的导通角增大，从而改善了功率因数。

整流滤波电路的两种形式：

方案优点：原理、结构简单，成本低，效率较高。

方案缺点：整流桥导通时的冲击电流比整流滤波电路小，功率因数低，谐波成分多。

三、谐振式整流滤波电路

如图所示，将Lr和Cr的谐振点设置在基波三倍频处，对谐波的抑制起到了一定的作用

方案优点：原理、结构简单，成本较低，效率较高。

方案缺点：整流桥导通时的冲击电流比整流滤波电路小，功率因数低，谐波成分相对少。

四、逐流式（填谷）整流滤波电路

图5是一种由电容、二极管组成的无源功率因数校正(PPFC)电路，其中Ll、L2、Cl、C2组成复式滤波电路 Dl--D4为桥式整流电路，D5、D6、D7、C3、C4组成PPFC电路。

原理：图6是PPFC电路输出电压u和交流输入电流的波形。

在t0～tl时间内，整流二极管Dl、D3导通，桥式整流输出电压Uz通过C3、D6、C4对C3、C4充电，同时为负载RL供电，由于充电时间常数很小，C3、C4充电速度很快，当Uz达峰值Um时，C3、C4上的电压Uc3=Uc4=Um/2；

在t1～t2时间内，Um/2

t3～t4时间内，Uz>Uc3、Uz>U ，D2、D4开始导通为RL供电，当Uz>Uc3+Uc4时，Uz通过C3、C4、D6对C3、C4充电，t4时刻Uc3=Uc4=Um/2；

t4～t5时间内，Um

D3、D4仍然处于导通状态；

t5～t6时间内，Uz

方案优点：原理、结构相对复杂，成本稍低，功率因数高。

方案缺点：整流桥导通时的冲击电流较小，，谐波成分相对少，效率较低。

五、直流反馈式整流滤波电路，高频反馈式整流滤波电路

有源功率因数校正(PFC)电路的发展