(6) 開關(guān)電源的功率因數(shù)

開關(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，開關(guān)電源多數(shù)是通過整流器與電力網(wǎng)相接的，經(jīng)典的整流器是由二極管或晶閘管組成的一個非線性電路，在電網(wǎng)中會產(chǎn)生大量的電流諧波和無功功率而污染電網(wǎng)，成為電力公害。傳統(tǒng)的開關(guān)電源存在一個致命的弱點，即功率因數(shù)較低，一般僅為0.45～0.75，而且其無功分量基本上為高次諧波，其中三次諧波的幅度約為基波幅度的95%，五次諧波的幅度約為基波幅度的70%，七次諧波的幅度約為基波幅度的45%，九次諧波的幅度約為基波幅度25%。

開關(guān)電源已成為電網(wǎng)最主要的諧波源之一，針對高次諧波的危害，從”//)年起國際上開始以立法的形式限制高次諧波，傳統(tǒng)的開關(guān)電源在此限制之列。我國國家技術(shù)監(jiān)督局在1993年頒布了國家標準GB/T 14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》。國際電工委員會(International Electrotechnical Commission IEC)于1998年對諧波標準IEC5552進行了修正，另外還制定了IEC61000-3-2標準，其A類標準對電網(wǎng)諧波的要求見表1-3。傳統(tǒng)整流器因諧波遠遠超標而面臨前所未有的挑戰(zhàn)。

抑制開關(guān)電源產(chǎn)生諧波的方法主要有兩種：一是被動法，即采用無源濾波或有源濾波電路來旁路或濾除諧波;二是主動法，即設(shè)計新一代高性能整流器，它具有輸入電流為正弦波、諧波含量低、功率因數(shù)高等特點，即具有功率因數(shù)校正功能。國外改善開關(guān)電源功率因數(shù)的研發(fā)工作的重點，主要是在功率因數(shù)校正電路的拓撲結(jié)構(gòu)和功率因數(shù)校正控制IC(如UC3842～UC3855A系列,KA7524,TDA4814)的開發(fā)等領(lǐng)域展開研發(fā)工作。國內(nèi)一些廠家也做了類似的工作，采用功率因數(shù)校正電路的開關(guān)電源，其功率因數(shù)可達到0.95～0.99近似于1。近年來功率因數(shù)校正電路得到了很大的發(fā)展，為電力電子學(xué)研究的重要方向之一。

常規(guī)開關(guān)電源的功率因數(shù)低的根源是整流電路后的濾波電容使輸出電壓平滑，但卻使輸入電流變?yōu)榧饷}沖，如圖1-6所示，而整流電路后面不加濾波電路，僅為電阻性負載時，輸入電流即為正弦波，并且與電源電壓同相位，功率因數(shù)為1。

于是功率因數(shù)校正電路的基本思想是將整流器與濾波電容隔開，使整流電路由電容性負載變?yōu)殡娮栊载撦d。在功率因數(shù)校正電路中，其隔離型電路如圖1-7所示。但這種電路結(jié)構(gòu)不能實現(xiàn)輸入與輸出的電隔離。

圖1-6 常規(guī)開關(guān)電源輸入電壓與輸入電流波形

圖1-7 基本隔離型PFC電路

圖1-8 電容輸入的電路

新型低污染、高效率、低應(yīng)力、低輸出紋波開關(guān)電源主要包括EMI及浪涌吸收濾波電路，前級有源軟開關(guān)功率因數(shù)校正電路，相移諧振軟開關(guān)DC/DC變換電路及輸出紋波抑制電路等。

一般開關(guān)電源的輸入整流電路如圖1-8所示，市電經(jīng)整流后對電容充電，其輸入電流波形為不連續(xù)的脈沖，如圖1-9所示。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：

式中

，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之為總諧波畸變(Total Harmonic Distortion，THD)其表達式為：

THD=

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”的任務(wù)。

(1)功率因數(shù)校正的基本原理

由功率因數(shù)PF= =1可知，要提高功率因數(shù)，有兩個途徑：

① 使輸入電壓、輸入電流同相位。此時 =1，所以所以PF= 。

②使輸入電流正弦化。即 =I1(諧波為零),有 /I1=1。

利用功率因數(shù)校正技術(shù)可以使交流輸入電流波形完全跟蹤交流輸入電壓波形，使輸入電流波形呈純正弦波，并且和輸入電壓同相位，此時整流器的負載可等效為純電阻，所以有的地方又把功率因數(shù)校正電路叫做電阻仿真器。

功率因數(shù)校正電路，基本上是一個AC/DC變換器。一個標準的變換器利用脈沖波寬度調(diào)變(Pulse Width Modulation,PWM)來調(diào)整輸入功率的大小，以供應(yīng)適當?shù)呢撦d所需的功率，脈沖波寬度調(diào)變器控制切換開關(guān)(通常利用功率MOSFET來達成)將DC輸入電壓切成一串電壓脈沖波，隨后利用變壓器和快速二極管將其轉(zhuǎn)成平滑的DC電壓輸出，這個輸出電壓隨即與一個參考電壓(這個電壓是電源供應(yīng)器應(yīng)該輸出的標準電壓值)做比較，所產(chǎn)生的電壓差回饋至PWM控制器，利用這個誤差電壓信號來改變脈沖波寬度的大小，如果輸出電壓過高，脈沖波寬度會減小，進而使輸出電壓降低，以使輸出電壓回復(fù)至正常輸出值。

PFC增加了一個更先進的器件，使得來自AC電源的電流是一個正弦波并且與AC電壓同相位，此時誤差電壓信號的調(diào)變是由整流后的AC電壓和輸出電壓的變化來控制，最后誤差電壓信號回饋至PWM控制器，也就是說當AC電壓較高時PFC就從AC電源吸取較多的功率，反之若AC電壓較低則吸取較少的功率，如此可以減少AC電流的諧波產(chǎn)生。

(2)PFC技術(shù)分類

功率因數(shù)校正電路分為有源和無源兩類，無源校正電路通常由大容量的電感、電容組成。雖然無源功率因數(shù)校正電路得到的功率因數(shù)不如有源功率因數(shù)校正電路高，但仍然可以使功率因數(shù)提高到0.7～0.8，因而在中小功率電源中被廣泛采用。無源PFC，電路的結(jié)構(gòu)也較為簡單，實際上是采用矽鋼片制成的工頻電感，它利用電感線圈內(nèi)部電流不能突變的原理調(diào)節(jié)電路中的電壓及電流的相位差，使電流趨向于正弦化以提高功率因數(shù)。無源PFC結(jié)構(gòu)笨重，工作時常帶有低頻振動并引發(fā)低頻噪聲，相對于有源PFC電路，無源PFC的功率因數(shù)要低得多，一般只有70%左右。無源PFC固有的不可克服的缺點如下。[!--empirenews.page--]

① 當歐洲的諧波規(guī)范越來越嚴格時，電感量產(chǎn)的質(zhì)量需提升，而生產(chǎn)難度將提高。

② 電源重量和體積增加。

③ 如電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)固定的不正確，電感容易產(chǎn)生振動噪聲。

④ 當電源功率超過300W以上，無源PFC，在材料成本及產(chǎn)品性能表現(xiàn)上將突出其不可克服的多種的缺陷。

有源功率因數(shù)校正電路自20世紀90年代以來得到了迅速推廣，它是在橋式整流器與輸出電容濾波器之間加入一個功率變換電路，使功率因數(shù)接近1。有源PFC具有體積小、重量輕的特點，通過專用IC去調(diào)整電流的波形，對電流電壓間的相位差進行補償。

有源PFC，可以達到較高的功率因數(shù)，通?？蛇_98%以上，具有輸入電壓范圍寬等優(yōu)越的電氣性能，但成本也相對較高。此外，有源PFC，還可用作輔助電源，因此在使用有源PFC中，往往不需要待機變壓器，而且有源PFC，輸出直流電壓的紋波很小，這種電源不必采用很大容量的濾波電容。與無源PFC類似，有源PFC，工作時也會產(chǎn)生噪聲，只不過是高頻噪聲。相對于無源PFC，有源PFC復(fù)雜，成本較無源PFC，要高得多，有源PFC工作于高頻開關(guān)狀態(tài)，體積小、重量輕，比無源

功率因數(shù)校正電路效率高。主要應(yīng)用于中高端電源產(chǎn)品。相對于無源PFC，有源PFC，具有的優(yōu)點如下。

① 校正效果遠優(yōu)于歐洲的。3諧波規(guī)范，即便未來規(guī)格更趨嚴格也都能符合規(guī)定。

② 隨著IC器件需求增加，成本將隨之降低。

③ 能以較低成本帶來全域電壓的高附加價值。

④ 功率因數(shù)接近完美的100%，使電力利用率極佳化，對環(huán)保有益。

⑤ 隨著未來CPU的發(fā)展趨勢，輸出瓦數(shù)(電力)要求將越來越高，有源PFC，因成本不隨輸出瓦數(shù)增加而上升，故擁有較好競爭力。

(3)有源PFC技術(shù)分類

從不同的角度看，有源功率因數(shù)校正技術(shù)有多種分類方法。從電網(wǎng)供電方式可分為單相PFC電路和三相PFC電路。

從軟開關(guān)特性來劃分，有源PFC可分為兩類：零電流開關(guān)PFC技術(shù)。零電壓開關(guān)PFC，技術(shù)。按實現(xiàn)軟開關(guān)的具體方法還可以進一步劃分：并聯(lián)諧振型、串聯(lián)諧振型以及準諧振型。

從控制方法來分，有源功率因數(shù)校正可以采用脈寬調(diào)制(PWM)、頻率調(diào)制(FM)、單環(huán)電壓反饋控制、雙環(huán)電流模式控制、數(shù)字控制、滑?？刂埔约皢沃芷诳刂埔约捌渌鞣N控制方法。

從拓撲結(jié)構(gòu)上劃分，有源功率因數(shù)校正電路可分為預(yù)調(diào)整器型PFC以及單級組合PFC，變換器兩種形式，后者被認為是較理想的有源功率因數(shù)校正電路結(jié)構(gòu)。

一般認為有兩種基本的有源PFC技術(shù)，一種是變換器工作在連續(xù)導(dǎo)電模式的”乘法器”型；另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”實際上還有磁放大PFC，技術(shù)、三電平PFC，技術(shù)和不連續(xù)電容電壓模式(DCVM) PFC技術(shù)等。

有源功率因數(shù)校正(Active Power Factor Correction，APFC)技術(shù)是直接采用有源開關(guān)或AC/DC變換技術(shù)，使輸入電流成為和電網(wǎng)電壓同相位的正弦波。在整流器和負載之間接入一個DC/DC開關(guān)變換器，應(yīng)用電流反饋技術(shù)，使輸入端電流ii波形跟蹤交流輸入正弦電壓波形，使電網(wǎng)輸入端的電流波形逼近正弦波，并與輸入的電網(wǎng)電壓同相位。主要優(yōu)點是：可得到較高的功率因數(shù)，總諧波畸變THD小，可在較寬輸入電壓范圍和寬帶下工作，體積、重量小，輸出電壓也可保持恒定。主要缺點是:電路復(fù)雜，MTBF (平均無故障時間)下降，成本較高，效率會有所降低等。有源功率因數(shù)校正技術(shù)已廣泛應(yīng)用AC/DC開關(guān)電源，交流不間斷電源(UPS)等領(lǐng)域。

①按有源功率因數(shù)校正拓撲分類

a.降壓式。因噪聲大，濾波困難，功率開關(guān)管上電壓應(yīng)力大，控制驅(qū)動電平浮動，很少被采用。

b.升/降壓式。須用兩個功率開關(guān)管，有一個功率開關(guān)管的驅(qū)動控制信號浮動，電路復(fù)雜，較少采用。

c.反激式。輸出與輸入隔離，輸出電壓可以任意選擇，采用簡單電壓型控制，適用于150W以下功率的應(yīng)用場合。

d.升壓式(Boost)。簡單電流型控制，PF值高，總諧波失真(THD)小，效率高，但是輸出電壓高于輸入電壓。適用于75～2000W功率范圍的應(yīng)用場合，應(yīng)用最為廣泛。它具有以下優(yōu)點：電路中的電感L適用于電流型控制，由于升壓型APFC的預(yù)調(diào)整作用在輸出電容器C上保持高電壓，所以電容器C體積小、儲能大，在整個交流輸入電壓變化范圍內(nèi)能保持很高的功率因數(shù)，當輸入電流連續(xù)時，易于EMI濾波，升壓電感L能阻止快速的電壓、電流瞬變，提高了電路工作可靠性。

②按輸入電流的控制原理分類

a.平均電流型。工作頻率固定，輸入電流連續(xù)(CCM),波形圖如圖1-10(a)所示。TI公司的UC3854就工作在平均電流控制方式。

這種控制方式的優(yōu)點是：恒頻控制，工作在電感電流連續(xù)狀態(tài)，開關(guān)管電流有效值小、EMI濾波器體積??；能抑制開關(guān)噪聲；輸入電流波形失真小。

主要缺點是：控制電路復(fù)雜，須用乘法器和除法器，需檢測電感電流，需電流控制環(huán)路。

b.滯后電流型。工作頻率可變，電流達到滯后帶內(nèi)發(fā)生功率開關(guān)通與斷操作，使輸入電流上升、下降。電流波形平均值取決于電感輸入電流，波形圖如圖1-10(b)所示。

c.峰值電流型。工作頻率變化，電流不連續(xù)(DCM)工作波形圖如圖1-10(c)

所示。DCM采用跟隨器方法具有電路簡單、易于實現(xiàn)的優(yōu)點，但存在以下缺點：

·功率因數(shù)和輸入電壓Uin與輸出電壓Uo的比值Uin/Uo有關(guān)，即當Uin變化時，功率因數(shù)PF值也將發(fā)生變化，同時輸入電流波形隨Uin/Uo的加大而THD變大。

·開關(guān)管的峰值電流大(在相同容量情況下，DCM中通過開關(guān)器件的峰值電流為CCM的兩倍),從而導(dǎo)致開關(guān)管損耗增加。所以在大功率APFC中，常采用CCM方式。

d.電壓控制型。工作頻率固定，電流不連續(xù)，采用固定占空比的方法，電流自動跟隨電壓。這種控制方法一般用在輸出功率比較小的場合，另外在單級功率因數(shù)校正中多采用這種方法，工作波形圖如圖1-10(d)所示。

③ 其他控制方法

a.非線性載波控制技術(shù)。非線性載波控制(NLC)不需要采樣電壓，內(nèi)部電路作為乘法器，即載波發(fā)生器為電流控制環(huán)產(chǎn)生時變參考信號。這種控制方法工作在CCM模式，可用于Flyback、Cuk、Boost等拓撲中，其調(diào)制方式有脈沖前沿調(diào)制和脈沖后沿調(diào)制。

b.單周期控制技術(shù)。單周期控制是一種非線性控制技術(shù)。該控制方法的突出特點是無論是穩(wěn)態(tài)還是暫態(tài)，它都能保持受控量(通常為斬波波形)的平均值恰好等于或正比于給定值，即能在一個開關(guān)周期內(nèi)，有效地抑制電源側(cè)的擾動，既沒有穩(wěn)態(tài)誤差，也沒有暫態(tài)誤差，這種控制技術(shù)可廣泛應(yīng)用于非線性系統(tǒng)的場合，不必考慮電流模式控制中的人為補償。

c.電荷泵控制技術(shù)。利用電流互感器檢測開關(guān)管的開通電流，并給檢測電容充電，當充電電壓達到控制電壓時關(guān)閉開關(guān)管，并同時放掉檢測電容上的電壓，直到下一個時鐘脈沖到來使開關(guān)管再次開通，控制電壓與電網(wǎng)輸入電壓同相位，并按正弦規(guī)律變化。由于控制信號實際為開關(guān)電流在一個周期內(nèi)的總電荷，因此稱為電荷控制方式。

(4)功率因數(shù)校正電路的結(jié)構(gòu)形式

功率因數(shù)校正電路(PFC)分為有源和無源兩種。無源校正電路通常由大容量的電感、電容和工作于工頻電源的整流器組成。有源校正電路往往工作于高頻開關(guān)狀態(tài)，它們的體積小、重量輕，比無源校正電路效率高。圖1-1是功率因數(shù)校正電路的三種不同結(jié)構(gòu)形式。不同的結(jié)構(gòu)形式各有其特點，見表1-4

圖1-11功率因數(shù)校正電路的不同形式

表1-4三種功率因數(shù)校正電路的特點