功率因数校正分析.docx

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功率因数校正分析

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：

一、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（>250W）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150W，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

t5～t6时间内，Uz

由上述分析不难看出，当电路达稳态

后，整流二极管的导通时间明显增大，其输入电流波形得到较大的改善（接近正弦波）。

实验表明，采用PPFC电路可使输入电流总谐波含量降低到30％以下，功率因数可提高到0．90以上。

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

略。

有源功率因数校正（PFC）电路的发展

APFC一般采用升压式，是由于其输入电流容易连续。

在电力电子技术及电子仪器仪表中，从220V交流电网通过非控整流获得直流电压得到普遍使用。

由于整流器件工作时，导通角小于180度，因此引起输入电流波形严重畸变、含有大量谐波，使输入电路的功率因素不到，对电网和其它用电设备危害很大。

为了减少这种危害，在整流滤波电路中增加功率因素校正电路已被普遍采用。

从功率因素（PF）、功率因素（PF）与总电流谐波畸变（THD：

TotalHarmonicDistortion）的关系出发，提出提高功率因数和效率的方法：

一是就最大限度地抑制输入电流的波形畸变，使THD值达到最小；

二是尽可能地使电流基波与电压基波之间的相位差趋于零，使余弦值等于1，从而实现功率因素校正。

利用功率因素校正技术，可以使交流输入电流波形完全跟踪交流输入电压波形的变化，使输入电流呈纯正正弦波，并且和输入电压同相位。

Boost拓扑结构的PFC电路工作原理：

输出电压与参考电压比较后经电压环控制器得到输出值，并与输入整流后的电压值相乘，得到电流基准信号。

输入电流与基准信号比较后经电流环控制器，其输出信号再通过PWM发生器产生控制信号来控制开关管的通断。

因为控制信号是占空比周期性变化的信号，所以得到的输入电流波形跟随输入电压整流后的波形，当开关频率比输入电压频率高得多时，输入电流具有与输入电压相同的电压波形。

一、单级功率校正——峰值电流控制

通过分析升压式有源功率校正APFC电路的基本原理，用UC3854搭建了APFC电路，在APFC控制过程中，基于UC3854的固定频率平均电流型控制APFC电路能有效地抑制输入电流波形畸变，使输入电流完全跟踪输入电压的变化，并且输出电压稳定，因此在实用中得到了广泛应用。

二、两级功率校正

由于单级DC-DC校正电路虽容易实现，但是它有控制复杂等不可克服的缺点，故提出了两级功率校正。

利用TOPswitch很容易实现两级结构的有源功率因数校正。

电路由TOPswitch构成的PFC电路和自激式半桥逆变电路组成。

通过对其工作原理进行详细分析，给出了电路参数和设计方法。

该有源功率因数校正无需额外的控制电路和辅助电源。

因此具有结构简单、成本低、性能好等特点。

传统电感式功率因数校正具有效率低、重量大、闪烁严重、噪音大、功率因数低等缺点，使其不能满足人们对供电质量的要求。

由于单级PFC功率因数校正器使用的器件少、成本低，因此已成为目前的研究热点。

但是，单级结构中，因PFC整流部分和逆变部分通常共用一个开关，使得两者之间有一定的耦合关系，给一些参数计算带来不便，并且在这种结构下，直流母线电压随着电网电压的波动而波动，这会造成负载工作点的变化．严重时可能使负载无法正常工作。

在单级自激式功率因数校正器中，直流电压的变化会引起工作频率的变化，使升压电感值的确定较为困难。

因此，单级结构的有源功率因数校正通常采用它激式，以保证工作频率的固定，这样会使控制电路复杂、成本增加。

而两级自激式功率因数校正器，无需额外的控制集成电路和控制电源，所以具有结构简单、器件少、成本低、功率因数高等优点，并且直流电压稳定，不受电网电压波动的影响，容易设计谐振参数，以保证负载工作在稳定工作点，具有很大的应用价值。

三、两级功率校正优化——直接功率转换

由于受各种器件的限制，现在又提出了直接功率转换（DPT）技术的单级PFC，AC—DC变换器，并进行了深入的分析和综合．应用DPT技术不仅可以有效地降低单级PFCAC—DC变换器的直流母线电压．也较大地提高了效率．使其在小功率的应用中具有更大的前景。

应用功率因数校正（PFC）技术可以降低AC-DC变换器中的电流谐波含量，提高其功率因数，减少对交流电网的谐波污染。

比较成熟且广泛应用的是两级方案：

PFC级后接DC-DC级。

尽管两级方案具有高功率因数、输出电压的快速调节和适合于各种功率应用等良好性能，但对小功率应用来说，它却存在着电路复杂、体积大、成本高等缺点。

近年来把PFC级和DC-DC级集成在一起的单级PFCAC—DC变换器得到了很快的发展，其目的是要简化AC-DC变换器复杂的电路来降低成本。

单级PFCAC-DC变换器使PFC级和DC-DC级共用一个功率开关管，一套控制电路控制其输出电压，在PFC级和DC-DC级之间用一个储能电容来存储输入和输出瞬时功率不平衡的能量，使其不仅能够整形输入电流，使电流谐波含量满足IEC1000-3-2的国际标准，同时还能对输出电压进行快速调节。

由于单级PFCAC-DC变换器本身结构和其工作的特点，它还存在着以下的问题：

（1）直流母线电压过高。

（2）转换效率不高。

应用直接功率转换（DFF）技术使此类变换器部分输入功率直接（一次）传递到输出端，而剩余的存储在PFC级电感中的输入功率才被传递到储能电容中，或使储能电容电压被箝位，这样不仅被重复传递的输入功率减少了，变换器的效率提高了，而且降低了储能电容的电压和开关器件的电压应力，即有效解决了单级PFCAC—DC变换器存在的上述问题。

对直接功率转换（DFF）技术提出的下列几种拓扑：

四、单周控制（OCC）法

近来，不使用桥式电路的功率因数校正（PFC）电路成为人们注意的焦点。

设计人员去掉了转换器输入端的常规桥式整流电路，可以减少开关损耗，进一步提高效率。

在这样的电路中，不存在由于导通损耗而降低效率的问题，且设计比较简单，需要的元件数量较少。

因此现在提出了不使用桥式整流电路的PFC设计——用MOSFET代替二极管，减少了导通的功率管的数目，同时提出了单周控制（OCC）方法。

由于去掉了输入整流器的导通损耗以及简化电路的设计，造成的代价是：

输入电压和输入电流的感测较为复杂，而且，输出浮动会导致电磁干扰增大。

将无桥式整流的电路与OCC控制方法结合起来，就可以用无桥式整流的方法提高效率、简化设计，并且不需要使用复杂的电流和电压感测电路。

同时电磁干扰问题也可以用一种改进版本的电路来克服。

五、现代APFC的小信号分析法及PFC器件

为解决电磁干扰及兼容问题，进行小信号分析，提出了基于Boost变换器拓扑PFC电路的建模，这是以Boost变换器为主拓扑结构，平均电流控制模式进行PFC校正，并在准静态分析法的基础上，建立系统的简化小信号模型。

在此基础上，以闭环系统的带宽和相位裕量为设计指标，给出了实用的闭环反馈控制器的设计方法。

在PFC电路中，电压、电流等变量在两种不同频率上变化：

一方面按开关频率高速切换；另一方面又按输入电压频率（工频）缓慢变化。

从系统的角度来看这是一个复杂的时变系统，采用准静态分析法来对系统的模型进行分析和设计。

提出了电流环功率级简化模型。

控制器的实现是按照电压环和电流环分别设计。

根据有源功率因数校正的基本特性。

对系统进行了建模，同时对数学模型进行分析和计算。

现在提出的嵌入式模块技术，是将来模块超小型化不可缺少的技术。

今后，在嵌入式模块等各自的技术特点不断发展的同时，应将其复合化，进一步确立基片和贴装平台技术。

另外，今后还应考虑强化无源元件的开发技术，开发由此派生的三维贴装模块技术，进一步推进实用化。

另一方面，今后应将通用无源元件应用于嵌入式模块的开发当中。

例如，薄形产品（例如：

1005尺寸和0603尺寸，厚度为等的元件）应实现标准化。

另外，为了扩大适用范围，还应开发膜片式电感器和膜片式电容器等。

主要参考文献：

【文献一】、安森美半导体电源技术市场总监DhavalDala《功率因数校正（PFC）拓扑的选择》《电子产品世界》

【文献二】上海交通大学电子工程系，于强《无源功率因数校正电路的应用研究》

作者：

《济南职业学院学报》

【文献三】、国际整流器公司RonBrownMarcoSoldan《运用无桥式整流电路实现高效率的PFC设计》《电源世界》

【文献四】、西安石油大学苏娟，程杰斌，解茜草《基于Boost变换器拓扑PFC电路的建模与分析》《现代电子技术》【文献五】、吉首大学周佩娟《有源功率因素校正APFC电路的研究》《湖南科技学院学报》

【文献六】、华南理工大学电力学院雅达电源实验王亚林梁冠安《直接功率转换在单级PFCAC-DC变换器中的应用》《电源世界》

【文献七】、郑州大学邓隐北《新型单级高功率因数电子镇流器的分析与设计》《国际文献报导》

【文献八】、刘旭《电子镇流器的滤波与校正（下）》《中国照明电器》

【文献九】、燕山大学王宝诚，赵清林《具有PFC功能的高性能电子镇流器设计》《电力电子技术》