有源功率因数校正剖析
有源功率因数校正技术及控制方式分析
有源功率因数校正技术及控制方式分析摘要：本文深入探讨了有源功率因数校正技术及其控制方式，重点分析了不同类型的APFC电路的工作原理和性能特点，以及控制策略在改善系统性能中的作用。
通过对几种典型APFC电路的实验分析，本文展示了APFC在提高电力电子设备效率、减小谐波污染方面的巨大潜力。
关键词：有源功率因数校正；控制方式；电力电子一、引言随着电力电子技术的迅猛发展，大量非线性负载如开关电源、变频器等被广泛应用，导致电网中谐波含量增加，功率因数降低。
为了解决这一问题，有源功率因数校正技术（APFC)应运而生。
APFC技术不仅可以提高电力电子设备的功率因数，还能减小谐波对电网的污染。
二、有源功率因数校正技术原理及分类1.功率因数及有源功率因数校正的基本概念(1)功率因数是电力系统中非常重要的一个参数，它表示了电压和电流之间的相位差。
在电力系统中，功率因数的大小直接影响到系统的效率和稳定性。
当功率因数大于0时，表示电压超前电流，即正功率；当功率因数等于0时，表示电压和电流同相，即零功率；当功率因数小于0时，表示电压滞后电流，即负功率[1]。
(2)有源功率因数校正是一种电力电子学中的技术，它通过控制电源的相位差来调整系统的功率因数。
这种技术可以有效地提高系统的效率和稳定性，减少系统的损耗。
有源功率因数校正的基本原理是利用一个可控的电源，通过控制这个电源的相位差，来调整系统的功率因数[2]。
2.有源功率因数校正技术分类及其工作原理(1)APFC电路（AC-DC Power Factor Correction Circuit）是一种用于校正交流电压波形的电路，其作用是将交流电压转换成直流电压，以便于后续的电压调节和稳定。
APFC电路的分类有多种，根据不同的应用场景和需求，可以分为不同的类型。
(2)另外一种常见的APFC电路是电流控制型APFC电路。
电流控制型APFC电路的工作原理是通过对输入电流的控制来实现对输出电压的校正和调节。
有源功率因数校正电路的研究与实现
有源功率因数校正电路的研究与实现有源功率因数校正电路是一种用于改善电力系统功率因数的电路。
在传统的电力系统中，负载电流与电网电压不同步的情况会导致功率因数下降，这不仅会造成电网能量的浪费，还会对电力设备的正常运行造成影响。
因此，有源功率因数校正电路的研究与实现具有重要的意义。
有源功率因数校正电路主要由功率因数校正控制器、整流器和逆变器组成。
其中，整流器将交流电转换为直流电，并通过功率因数校正控制器控制逆变器的工作方式，使其能够提供与负载的需求相匹配的电流和功率因数。
逆变器将直流电转换为交流电，并输出给负载。
第一，功率因数校正控制器的设计与实现。
功率因数校正控制器是有源功率因数校正电路的核心部分，负责监测电网电压和负载电流，并控制逆变器的工作方式。
为了实现精确的功率因数校正，功率因数校正控制器需要具备高精度的测量和计算能力。
第二，整流器的设计与实现。
整流器负责将交流电转换为直流电，并为逆变器提供稳定的直流电源。
为了实现高效的能量转换和低谐波扰乱，整流器需要具备高效的功率调整和滤波功能。
第三，逆变器的设计与实现。
逆变器负责将直流电转换为交流电，并输出给负载。
为了实现高质量的交流电输出，逆变器需要具备高精度的调制和滤波功能。
第四，性能评估与实验验证。
为了验证有源功率因数校正电路的性能，需要进行实验验证。
通过对电路的输出波形、功率因数等参数进行测试和分析，可以评估电路的性能，并对其进行优化改进。
在研究与实现有源功率因数校正电路的过程中，需要考虑电路的稳定性、可靠性和成本效益等因素。
实现高精度的功率因数校正需要采用高性能的电子元器件和控制算法，这会增加电路的成本。
因此，在设计电路时需要进行合理的选型和优化，以实现性能与成本的平衡。
总的来说，有源功率因数校正电路的研究与实现对于提高电力系统的能效和稳定性具有重要的意义。
通过优化设计和控制算法，可以有效地改善电力系统的功率因数，提高电网能量的利用率，并减少对电力设备的影响。
有源功率因数校正浅析
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图八 Ａ Ｆ 电路 中输 入 电流或 电感 电流 的示意 ＰＣ
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从图 可以 八中 看出， 输入电 或电 流 一 流 感电 是
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图八是电感电流或输入电流在 Ａ Ｆ Ｐ Ｃ控制器控
制下 ， 电流变化 的波形 。
④输入 电感 Ｌ能抑制快速的电路瞬变 ， 提高了
电路的工作可靠性 ；
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一
⑤输出直流电压高于输入直流电压； ⑥在整个输入电压范围内能保持很高的功率因
２ 有 源功率 因数校正 （ ＰＦ 原 理 Ａ Ｃ）
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其 中 ＩＩ， Ｉ为输 入 电流各 次谐 波 有效 值 ， 为 输 。 …， ， Ｕ。 入 电压基 波有 效 值 ，为输入 电流 的波 形 畸变 因 数 ， ｒ Ｃ￥１ ０￣为基 波 电压 与基 波电流 的位移 因数 ） 可见 ，Ｆ ｐ 。 Ｐ
减 少它 的失真 。
图一电路 中， 由于 ｃ的存在 ， 只有当输入 电压 高于 ｃ两端电压时， 整流器 中才有电流流过。一般 ｃ的容量很大 ，致使 整流二极管 的导通 角远小 于 １０ 即输入电流的导通时间很短 ， ８ 。， 导致电路 的功 率因数约为 Ｏ ～０ 。 ． ． ６ ７ 图四是一种典型无源 Ｐ Ｃ电路。 Ｆ 当输入 电压高 于 Ｃ 和 Ｃ 两端的电压时 ， １ ２ 两个 电容器处于串联充 电状态。当输入电压低于 ｃ１ Ｃ 两端 的电压时 ， 和 ２ 两个 电容处于并联放电状态。这样就增加了二极管
有源PFC校正基本原理解析_图文
ＰＦＣ开关电源功率因数校正原理ＰＦＣ开关电源功率因数校正原理一、什么是功率因数补偿，什么是功率因数校正：功率因数的定义为有功功率与视在功率的比值．功率因素补偿:这项技术主要是针对因具有感性负载的交流用电器具的电压和电流不同相(图1而引起的供电效率低下,提出的改进方法(由于感性负载的电流滞后所加电压,电压和电流的相位不同,使供电线路的负担加重,导致供电线路效率下降,这就要求在感性用电器具上并联一个性质相反的电抗元件.用以调整该用电器具的电压、电流相位特性.例如:当时要求所使用的40W日光灯必须并联一个4.75μF的电容器.用电容器并联在感性负载的两端,利用电容上电流超前电压的特性,用以补偿电感上电流滞后电压的特性,使总的特性接近于阻性,从而改善效率低下的方法叫做功率因数补偿(交流电的功率因数可以用电源电压与负载电流两者相位角的余弦函数值cosφ表示。
图1 在具有感性负载中供电线路中电压和电流的波形常规开关电源功率因数低是由于开关电源都是在整流后,用一个大容量的滤波电容使输出电压平滑,因此负载特性呈现容性.这就造成了交流220V在整流后,由于滤波电容的充、放电作用,在其两端的直流电压上出现略呈锯齿波的纹波.滤波电容上电压的最小值远非为零,与其最大值(纹波峰值相差并不多.图2 全波整流电压和AC输入电流波形因为根据整流二极管的单向导电性,只有在AC线路电压瞬时值高于滤波电容上的电压时,整流二极管才会因正向偏置而导通,而当AC输入电压瞬时值低于滤波电容上的电压时,整流二极管因反向偏置而截止.也就是说,在AC线路电压的每个半周期内,只是在其峰值附近,二极管才会导通.虽然AC输入电压仍大体保持正弦波波形,但AC输入电流却呈高幅值的尖峰脉冲,如图2所示.这种严重失真的电流波形含有大量的谐波成份,引起线路功率因数严重下降.在正半个周期内(180º,整流二极管的导通角大大小于180º,甚至只有30º～70º.由于要保证负载功率的要求,在极窄的导通角期间,会产生极大的导通电流,使供电电路中的供电电流呈脉冲状态.它不仅降低了供电的效率,更为严重的是,它在供电线路容量不足或电路负载较大时,会产生严重的交流电压波形畸变(图3,并产生多次谐波,从而干扰了其它用电器具的正常工作(这就是电磁干扰－EMI和电磁兼容－EMC问题。
有源功率因数校正
有源功率因数校正（APFC）原理说明本次设计采用boost升压式电路，并采用平均电流控制法（CCM），基于功率因数校正芯片UC3854设计的。
首先看下流程图：这个电路的主要部分是在元件UC3854和BOOST电路。
上图是UC3854的内部结构图。
其主要参数是它的乘法器。
乘法器是功率因素校正器的核心电路。
乘法器电路同时具有三个输入信号：控制电流，输入端电压，输出端电压。
最后，乘法器会输出一个电流。
BOOST电路：有储能电感，高频功率开关管，二极管和电容组成。
Boost 升压型变换器具有电感电流连续、储能电感能抑制RFI 和E．MI 噪声、流波形失真小、输出功率大及驱动电路简单等优点，因此常被用来作为有源功率因数正主电路拓扑。
工作原理：主电路由二极管桥式整流电路与Boost升压型DC-DC变换器组成，控制电路主要由UC3854芯片组成，包括基准电压Ur、电压误差放大器V A、电路误差放大器CA、乘法器M、脉宽调制器PWM及驱动器。
首先，交流电通过全波整流后变成直流电，为双半波正弦信号。
其次，输入电压Uo与基准电压Ur比较后，误差信号经过误差发达器放大后送入乘法器，与全波整流电压取样信号共同送到乘法器输入端，相乘后形成基波电流信号输出，基波电流信号与电流反馈信号经电流误差放大器CA相比较后输出信号，再与锯齿波信号相比较后形成PWM信号驱动功率开关管VT工作。
由于全波整流电压信号Udc为双半波正弦信号，稳定时电压误差放大器输出信号恒定，所以乘法器输出的基准电流信号波形和二极管桥式整流输出电压信号一致，也是双半波正弦信号，与高频的锯齿波信号比较后形成高频的PWM信号驱动开关管VT,可以迫使电感电流信号即输入电流信号在每个周期内按正弦规律变化，且与电路输入电压信号同相位，从而使输入电流跟踪输入电压，尽可能消除电流与电压的相位差，从而实现功率校正，提高功率因数，使功率因数近似为1。
本次设计参照原理图。
有源功率因数校正电路(APFC)分析
有源功率因数校正电路（APFC）
2. 功率因数
有源功率因数校正电路（APFC）
有源功率因数校正电路（APFC）
设基波电流i1落后Vi，相位差为α，如下图所示。
Vi 、Ii 波形
有源功率因数校正电路（APFC） AC-DC电路输入功率因数与谐波的关系： 定义总谐波畸变（THD）：
I 2 2 I 2 3 I 2 4 .... I 2 n THD 100% I1
由此可见，大量应
用整流电路，要求电网 供给严重畸变的非正弦 电流，造成严重的后果， 谐波电流对电网有危害 作用，并且输入端功率 因数下降。
有源功率因数校正电路（APFC）
有源功率因数校正电路（APFC）
谐波电流对电网的危害 脉冲状的输入电流，含 有大量谐波。右图给出了输 入电流波形及电流谐波频谱 分析，其中电流的三次谐波 分量达77.5%，五次谐波分 量达50.3%，……总的谐波 分量（或称总谐波失真Total Harmonic Distortion，用 THD表示）为95.6%，输入 端功率因数仅有0.683，非常 的低。
输入电流波形及其谐波分量频谱分析
有源功率因数校正电路（APFC）
I 2 2 I 2 3 I 2 4 .... I 2 n THD 100% I1
对AC-DC电路输入端谐波电流的限制 为了减小AC-DC交流电路输入端谐波电流造成的噪 声和对电网产生的谐波“污染”，以保证电网供电质量， 提高电网的可靠性；同时也为了提高输入端功率因数， 已达到节能的效果；必须限制AC-DC电路的输入端谐 波电流分量。
有源功率因数校正电路（APFC）
有源功率因数校正电路（APFC）
1. 平均电流模式 2. 峰值电流模式
有源功率因数校正控制方法浅析_杨永清
櫬櫬櫬櫬櫬櫬櫬櫬櫬櫬毬毬毬毬理论研究收稿日期：2011-12-09作者简介：杨永清（1969－），男，甘肃武山人，本科，工程硕士，高级工程师，主要从事移动电站的研究、设计工作，E-mail ：yyq8828@126．com 。
有源功率因数校正控制方法浅析杨永清1，张萍1，席小卫2（1．兰州电源车辆研究所有限公司，兰州730050；2．兰州理工大学技术工程学院，兰州730050）摘要：简要阐述功率与功率因数之间的关系及改善功率因数的主要措施；对有源功率因数校正控制方法的三种电路结构进行比对分析。
关键词：功率因数；校正控制；方法doi ：10．3969/j．issn．1003-4250．2012．01．004中图分类号：TM401+．1文献标识码：A 文章编号：1003-4250（2012）01-0014-03在以220V 交流电网电压作为输入的开关稳压电源中，交流输入电压整流后接滤波电容器，输入电压是正弦波形，但由于电路中含有非线性元件和储能元件，此时输入的电流不是正弦波，而是一种脉冲波形。
脉冲状的输入电流含有大量的谐波，其无功分量基本上为高次谐波，三次谐波幅度约为基波幅度的95%，五次谐波约为70%，七次谐波约为45%，九次谐波为25%。
高次谐波的产生大大降低了输入端的功率因数，对电能的品质产生较大的影响。
大量电流谐波分量倒流入电网，造成对电网的谐波污染。
谐波电流流过线路阻抗产生谐波电压降，使原来是正弦波形的电网输入电压的波形发生畸变。
另外，谐波也可能使电路发生故障甚至损坏，谐波造成其流经的导线过热、配电变压器过热、引起电网LC 谐振、三相电路中的中性线因三次谐波电流的叠加而过热。
1功率及功率因数分析以单相为例，瞬时功率p 等于电压u 和电流i 的乘积，P =ui在正弦稳态情况下，设：u 槡=2U cos （ωt +ψu ）i 槡=2I cos （ωt +ψi ）则p 槡=2U cos （ωt +ψu ）槡ˑ2I cos （ωt +ψi ）=UI cos （ψu －ψi ）+UI cos （2ωt +ψu +ψi ）令φ=ψu －ψi ，φ为电压和电流之间的相位差，有p =UI cos φ+UI cos （2ωt +ψu +ψi ）（1）瞬时功率有两个分量，设第一个分量为恒定值，第二个分量为正弦量，其频率是电压或电流频率的两倍。
功率因数校正问题
关于电子镇流器的功率因数校正问题的讨论陈传虞摘要本文分析电子镇流器的功率因数校正问题,着重讨论了有源功率因数校正的三种模式(峰值电流控制、固定开通时间、固定频率平均电流连续导通模式）的工作原理，它们的优缺点及适用场合等。
关键词：无源功率因数校正有源功率因数校正峰值电流控制固定开通时间频率钳定前(后）沿调制断续导通、临界导通、连续导通模式过渡模式前言在电子镇流器中通常采用图1a所示的输入电路，由于电解电容器C O的容量很大，工作时储存电荷很多，只有输入电压超过电容上的电压时，才有输入电流，所以电流波形严重失真，仅在电压峰值附近才会出现一个电流尖脉冲(如图1b)。
这样一来，电路的功率因数变得很低，约为0.5左右,输入电流谐波含量十分丰富。
而根据国标GB/T17263-2002以及欧洲法规EN63000-3-2，对25W以上的节能灯和电子镇流器的各次谐波的含量提出了严格要求，现有的许多电路根本无法满足这个要求。
图1 镇流器的输入电路为了减少镇流器输入电流的谐波失真，必须采取一些特殊措施，通常称之为功率因数校正（PFC Power factor correction)技术来提高它的功率因数。
大致说来，功率因数校正有两种方案：无源功率因数校正（Passive PFC)和有源功率因数校正(Active PFC) ，前者已有很多资料介绍，不是本文讨论的重点，我们主要分析有源功率因数校正的三种模式，它们的工作原理、优缺点及适用场合等。
一．无源功率因数校正的原理及常用电路无源功率因数校正的原理主要是增加输入电流的导通时间，使电源电流的波形接近电压的正弦波形，减少它的失真。
最初采用的方案是逐流电路。
图2 无源功率因数校正电路它用图2(a)的电路代替图1的电容C O，电源通过VD3对电容C1、C2充电到输入电压峰值，每个电容电压最多为输入电压峰值之半。
这样，电容可在120˚范围内充电，输入电流的时间被拉长，电流为零（死区）的时间只占33.3%。
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有源功率因数校正
• 根据输入电压不同分类
• 三相 • 单相
Hale Waihona Puke 两级 PFC 单级 PFC
有源功率因数校正
• 三相PFC
三相 PFC有输入功率高等优点, 然而它又存在三相之间耦 合问题的严重缺点, 控制机理复杂, 研究难度大, 所以单相 PFC 的研究较多并相对成熟。
有源功率因数校正
• 两级 PFC
无源校正电路通常由大容量的电感、电容组成, 只能将功率因数提高到0.7~0.8,一般应用在中小功 率电源中.
有源功率因数校正电路是在桥式整流器与输出 电容滤波器之间加入一个功率变换电路,能够使功率 因数提高到接近1,它工作于高频开关状态,体积小、 重量轻,比无源功率因数校正电路效率高,从20世纪 80年代中后期开始成为电力电子领域研究的热点,90 年代后得到了迅速推广.
有源功率因数校正
• 升降压式
该电路的优点是：既可对输人电压升压又可以降压，因此在整个输入正弦周期都可以 连续工作;该电路输出电压选择范围较大，可根据一级的不同要求设计;利用开关管可实现 输出短路保护。
该电路的主要缺点有：开关管所受的电压为输入电压与输出电压之和，因此开关管的 电压应力较大;由于在每个开关周期中，只有在开关管导通时才有输入电流，因此峰值电流 较大;开关管门极驱动信号地与输出地不同，驱动比较复杂;输出电压极性与输入电压极性 相反，后级逆变电路较难设计，因此也采用得较少。
图3 单极PFC方案
有源功率因数校正
• 单极PFC
该方案与传统的两级电路相比省掉了一个MOSFET, 增加 了一个二极管, 集功率因数校正和输出隔离、 电压稳定于一 体, 结构简单, 效率高. 但分析和控制复杂, 适用于单一集中式 电源系统。
它的输入电流有些畸变, 但仍能满足电流谐波含量的要 求。
1)电路中的电感 L适用于电流型控制; 2)由于升压型APFC的预调整作用在输出电容器上保持高电压,所以电容器体积小、储能大; 3)在整个交流输入电压变化范围内能保持很高的功率因数; 4)当输入电流连续时, 易于EMI滤波; 5)升压电感L能阻止快速的电压、电流瞬变, 因而可提高电路工作的可靠性. 因此, 目前升压式有源功率校正电路应用最为广泛。
图2 两级PFC方案
正激 反激等
有源功率因数校正
• 两级 PFC
两级 PFC虽然功率因数校正效果不错, 但由于用 Boost升 压的电路母线电压高于输入电压峰值, 电容电压过高。另外, 由于两级传输,使得控制复杂, 传输效率低, 成本也较高。
有源功率因数校正
• 单级PFC
单极PFC将前置级 Boost电路和后随级反激或正激变换器 环节 MOSFET公用, 如图 3所示。
另外，单极PFC还存在储能电容上电压高的问题。
有源功率因数校正
• 根据电感电流控制方式分类
• 不连续导通模式(DCM)
恒频控制 变频控制 等面积控制
直接电流控制 • 连续导通模式(CCM)
间接电流控制 • 临界或过渡导通模式(TCM)
峰值电流控制 平均电流控制 滞环电流控制
有源功率因数校正
• 不连续导通模式(DCM)
两级 PFC方案如图 2所示. 所谓两级, 指的是 PFC前置级和 DC /DC后随级。
PFC前置级使输入电流跟随输入电压, 实现功率因数校正; DC /DC后随级实现隔离和降压。
其优点是每级电路可单独分析、 设计和控制, 特别适合 作为分布式电源系统的前置级。
Buck Boost（常用） Buck -Boost
有源功率因数校正
• 根据APFC拓扑分类
• 降压式 • 升/降压式 • 反激式 • 升压式
有源功率因数校正
• 降压式
这种电路的主要优点是：开关管所受的最大电压为输人电压的最大值，因此 开关管的电压应力较小;当后级短路时，可以利用开关管实现输出短路保护。
该电路的主要缺点是：由于只有在输人电压高于输出电压时，该电路才能工 作，所以在每个正弦周期中，该电路有一段因输人电压低而不能正常工作，输出 电压较低，在相同功率等级时，后级DC/DC变换器电流应力较大;开关管门极驱动 信号地与输出地不同，驱动较复杂，加之输人电流断续，功率因数不可能提高很 多，因此很少被采用。
有源功率因数校正
• 反激式
反激式的输出与输入隔离,输出电压可以任意选择,采用简单电压型控制,适用于150W以 下功率的应用场合。
有源功率因数校正
• 升压式
升压式是简单的电流型控制,PF值高、DTH小、效率高,但是输出电压高于输入电压, 适 用于 75~2000W功率范围的应用场合。 升压式APFC具有以下优点:
有源功率因数校正
• 连续导通模式(CCM)
CCM模式下的电流控制是目前应用最多的控制方式。它是将输入电压 信号与输出电压误差信号相乘后作为电流控制器的电流给定信号，电流 控制器控制输入电流按给定信号变化，CCM模式根据反馈电流，产生了三 种常用的控制方法：峰值电流控制、平均电流控制和滞环电流控制。
DCM的控制又称电压跟踪方法, 可以采用恒频、变频、等面积等多种方式。 它工作在不连续导通模式, 用电压跟随器的方法来实现 APFC, 采用此方法比较简 单、方便, 但开关峰值电流大,由此导致通态损耗增加.
同时,功率因数与输入和输出电压的比值有关, 当输入电压变化时, 功率因数也 将发生变化, 因此, DCM方式的APFC电路很少被采用。
CCM方式的APFC工作在连续导通模式,相对于DCM,CCM具有以下优点: •输入和输出电流纹波小; •器件导通损耗小; •适用于大功率应用场合。
有源功率因数校正
有源功率因数校正
小组成员：徐勇、常惜阳、付美真、王启龙、王嘉 炜、陈玉民、管红立、瞿林飞、田小龙、王彦刚
有源功率因数校正
• 概述 • 分类
根据APFC拓扑分类 根据输入电压不同分类 根据电感电流控制方式分类
• 总结
有源功率因数校正
功率因数校正技术包括无源功率因数校正和有 源功率因数校正.
有源功率因数校正
• 有源功率因数校正(APFC)电路是在整流器和负载之间接入 一个DC/DC开关变换器,应用电压电流反馈技术,使输入端 电流波形跟随输入正弦电压波形,从而使输入电流的波形 也接近正弦波,以达到提高功率因数的目的.由于在此电路 中使用了有源器件,所以称为有源功率因数校正电路。
图1 有源功率因数校正原理