功率因数校正在开关电源中的应用

功率因数校正在开关电源中的应用李银碧（浙江邮电职业技术学院，浙江绍兴 312016）摘要：本文介绍了开关电源功率因数校正的基本原理，分析了功率因数校正的电路实现方法及相关要求。

最后概括了有源功率因数校正技术的发展趋势。

关键词：功率因数；有源功率因数校正；单级；两级The Application Of Power Factor Correction In Switch PowerLI Yin-bi(Zhejiang Technical College of Post and Telecom,Shaoxing Zhejiang 312000,China) Abstract：The theme introduces the basic principles of power factor correction in switch power and the analysises active power factor correction (APFC).At last summarizes the tendency of active power factor correction．Key words: power factor；active power factor correction；single-stage；two-stage1、引言近年来，随着电子技术的发展，计算机等一些通信设备日益普及，被广泛应用于各种不同的领域，其中电网的谐波污染以及输入端功率因数低等问题显得日益突出。

这些设备的内部需要一个将市电转化为直流的电源部分。

在这个转换过程中，由于一些非线性元件的存在，导致输入的交流电压虽然是正弦的，但输入的交流电流却严重畸变，包含大量谐波。

而谐波的存在，不但降低了输入电路的功率因数，而且对公共电力系统产生污染，造成电路故障。

显然，使用有效的校正技术把谐波污染控制在较小的范围己是当务之急。

为了限制电流波形畸变和谐波，使电磁环境更加干净，国内外都制订了限制电流谐波的有关标准，如IEC555-2, IEEC519等。

采用现代高频功率变换技术的功率因数校正(PFC)技术是解决谐波污染最有效的手段。

为了减少谐波对交流电网的污染，这就必须对电源产品如UPS，高频开关整流电源等的输入电路进行功率因数校正，以最大限度减少谐波电流。

功率因数校正的目的，就是采用一定的控制方法，使电源的输入电流跟踪输入电压，功率因数接近为1。

2、功率因数校正的基本原理2．1功率因数的定义由于在电源设备中，除了线性元件外，还大量使用各种非线性元件，如整流电路、逆变电路、日光灯、霓虹灯等。

非线性元件的大量使用使得电路中产生各种高次谐波，高次谐波在基波上叠加，使得交流电压波形产生畸变。

功率因数PF（Power Factor）是指交流输入有功功率P与视在功率S的比值。

对于高频开关整流器这种交流用电负载，由于它含有很多非线性元件，使得输入的正弦交流电流发生一定程度的畸变，也就是输入的交流电流中除了含有基波（一次谐波）外，还含有了二次、三次等高次谐波。

我们认为只有基波才作有用功，再考虑感性（或容性）负载作的无用功影响，功率因数PF 应定义为：PF ＝S P ＝R L L I U I U φcos 1=RI I 1cos φ= γcos φ （1） 式中：γ：基波因数，即基波电流有效值I 1与电网电流有效值I R 之比。

I R ：电网电流有效值I 1：基波电流有效值U L ：电网电压有效值cos Φ：基波电流与基波电压的位移因数在线性电路中，无谐波电流，电网电流有效值I R 与基波电流有效值I 1相等，基波因数γ=1，所以PF ＝γ·cos Φ＝1·cos Φ＝cos Φ。

当线性电路且为纯电阻性负载时，PF ＝γ·cos Φ＝1·1＝1。

如果供电系统正弦畸变过大，则会对供电设备、用电设备产生干扰，严重的时候甚至会造成用电设备如开关电源、UPS 退出正常工作，也可能造成供电系统跳闸。

畸变越小，功率因数则越高。

综上所述，只要设法抑制输入电流中的谐波分量，通过电路方法，将输入电流波形校正为或无限接近正弦波，即可实现功率因数校正。

2．2 无功率因数校正的开关电源存在的问题在传统没有功率因数校正的开关整流器中，交流输入电压，经整流后，紧跟着大电容滤波，由于电容的充放电使输入电流呈脉冲波形。

这种电流谐波分量很大，造成功率因数下降。

低功率因数开关电源的使用，严重污染了电网，干扰了其它设备，增大了前级设备（如变压器、电缆传输、柴油发电机等）的功率容量，使供电系统容量至少要增大30%以上，使用户增加了投资。

对于三相四线输入，当三相负载不平衡时，零线电流会很大。

从实际运行结果来看，低功率因数的开关电源所带来的危害是很严重的，这是因为输入电流有很高的峰值，含有大量的高次谐波，不但产生严重电磁干扰，还使供电变压器产生大的电磁应力，噪音增大，铁损严重，温升剧增。

因此，在整流器设计中，认真设计好功率因数校正电路是至关重要的。

3、实现功率因数校正的方法从不同的角度看，功率因数校正（PFC ）技术有不同分类方法。

从电网供电方式可分为单相PFC 电路相三相PFC 电路；从采用的校正机理看，可分为无源功率因数校正（PPFC ）和有源功率因数校正（Active Power Factor Correction ，简称APFC ）两种。

无源功率因数校正技术（PPFC ）出现最早，通常由大容量的电感、电容组成。

它只是针对电源的整体负载特性表现，在开关整流器的交流输入端加入电感量很大的低频电感，以减小滤波电容充电电流尖峰。

由于加入的电感体积大，增加了开关整流器的体积，此方法虽然简单，但效果不很理想，适于应用到重量体积不受限制的小型设备。

因此目前用的较多的是有源功率因数校正。

有源功率因数校正电路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。

下面主要讨论有源功率因数校正方法。

有源功率因数校正目的在于减小输入电流谐波。

为此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踪交流输入正弦电压波形，可以使输入电流接近正弦，从而大大提高功率因数PF ，一般校正后PF 可提高到0.99或更高。

由于这个方案中应用了有源器件，故称为有源功率因数校正（APFC ）。

基本原理如图所示。

APFC的基本原理框图从原理框图来看，APFC基本电路就是一种开关电源，但它与传统的开关电源的区别在于：DC/DC变换之前没有滤波电容，电压是全波整流器输出的半波正弦脉动电压，这个正弦半波脉动直流电压和整流器的输出电流与输出的负载电压都受到实时的检测与监控，其控制的结果是达到全波整流器输入功率因数近似为1 。

而有源功率因数校正中，按输入电流的工作模式又可分为CCM模式和DCM模式；按拓扑结构可分为两级模式和单级模式。

3．1按输入电流检测和控制方式分类根据电感电流是否连续，APFC有两种工作模式：不连续导通模式DCM(Discontinuous Conduction Mode)和连续导通模式CCM(Continuous Conduction Mode)。

一般认为，采用电流连续导通方式可利于实现输入EMI滤波电路小型化，并可使电流应力减小，实现高效率。

3．1．1 DCM控制模式DCM控制又称电压跟踪方法(Voltage Follower)，它是PFC中简单而实用的一种控制方式。

这类变换器工作在不连续导电模式，开关管由输出电压误差信号控制，开关周期为常数。

由于峰值电感电流基本上正比于输入电压，因此，输入电流波形跟随输入电压波形变化。

控制原理如图所示：ＤＣＭ控制原理图该控制方法的优点是: 1) 电路简单，不需要乘法器；2)功率管实现零电流开通(ZCS)且不承受二极管的反向恢复电流；3) 输入电流自动跟踪电压且保持较小的电流畸变率。

但是DCM方式存在着以下两个主要问题：１）由于电感电流不连续，造成电流纹波较大，对滤波电路要求高；２）开关管电流应力高，在同等容量情况下，DCM中开关器件通过的峰值电流是CCM的两倍，由此导致通态损耗增加，因此只适用于小功率的场合。

3．1．2 CCM控制模式在CCM模式控制中，根据是否选取瞬态电感电流作为反馈量和被控制量，又可分为间接电流控制(Indirect Current Control)和直接电流控制(Direct Current Control)两大类.直接电流控制的优点是电流瞬态特性好，自身具有过流保护能力，但需要检测瞬态电流，控制电路复杂。

间接电流控制的优点是结构简单、开关机理清晰。

(1) 直接电流控制直接电流控制是目前应用最多的控制方式，它来源于DC/DC变换器的电流控制模式。

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。

根据控制器控制方式的不同，较典型的控制方式有峰值电流控制(PCMC)、平均电流控制(ACMC)和滞环电流控制(HCC)等。

与其他控制方式相比，平均电流控制具有电流总谐波畸变(THD)和电磁干扰(EMI)小、对噪声不敏感、适用于大功率应用场合等优点，是目前PFC中应用最多的一种控制方式。

下面就介绍利用平均电流控制技术的Boost PFC电路。

基本原理如图所示：平均电流控制方式PFC框图它具有双环控制技术的优点。

电流环使输入电流波形更接近正弦波，电压环使升压型DC／DC输出电压U O恒定。

由s获得电感L中的电流取样，并由R1、R2分压以取得整流后的电压取样信号。

K1正向输入端信号来自乘法器Z，作为K1的基准信号。

K1反向输入端信号来自电感电流取样信号。

若电感电流偏小时，K1输出增大，与锯齿波比较后的PWM信号占空比增加，使Q管导通时间变长而截止时间减少。

在Boost PFC电路中，Q管导通，L贮能，通过电感的电流I L增加，而Q管截止时，二极管D导通，电容C充电，流过电感电流I L减小。

这样使电感电路中电流I L可跟踪基准信号波形。

即I L的平均值I与整流后的电压波形接近同相。

如图所示。

平均电流控制方式PFC电路的各种电流波形图在Boost PFC电路中，设PWM信号周期为T，Q管截止时间为T OH，则U O＝T/T OH·U I（证明略）。

当Boost PFC电路中U O上升时，取样与标准电压U ref比较后使K2输出下降，从而使U Z下降；使K1输出下降，即T OH增加，U O下降，以保持输出电压稳定。

(2) 间接电流控制电流的控制也可以通过控制整流桥输入端电压的方式间接实现，称为间接电流控制或电压控制。

间接电流控制是一种基于工频稳态的控制方法，它通过控制整流器输入端电压，使其与电源电压保持一定的相位、幅值关系，从而控制交流输入电流呈正弦波形，且与电源电压保持同相位，使装置运行在单位功率因数状态。