功率因数校正浅析

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<Uz<Uc3+Uc4，D5和D7均反偏截至，C3、C4无放回路，负载RL仍由整流电压Uz供电，Dl、D3仍然处于导通状态；t2～t3时间内，Uz<Um/2，D1、D3截止，电容C3通过所对负载RL放电，电容C4通过D5也对RL放电；

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<Uz< Uc3+Uc4，C3、C4仍无放电回路，负载RL仍由Uz供电，D3、D4仍然处于导通状态；

t5～t6时间内，Uz<Um/2，D3、D4截止，C3通过D7，C4通过D5又对RL开始放电，以后将循环上述过程。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

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0.7，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：Total Harmonic Distortion)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。