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。

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**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PFC AC—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PFC AC—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PFC AC-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PFC AC-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PFC AC—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0.1mm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。