一種高功率因數電源的設計與實現

1 引言
隨著電子電力技術的發展，要求電子元器件的供電電源越來越苛刻。一般元器件供電都是直接從市電中獲得，但由于電網的輸入阻抗呈容性，而大量整流電路造成電網網側輸入電壓與輸入電流間存在較大相位差，輸入電流呈脈沖狀，諧波分量很高，嚴重干擾電力系統。據了解現階段一般電網網側功率因數約為0．65，因此，高效率利用能源，提高電源功率因數已刻不容緩。
現階段功率因數校正PFC(Power Factor Correction)分為主動式與被動式兩種。被動式PFC結構簡單，主要是利用電感線圈內部電流不能突變的原理調節電路中的電壓與電流相位差，從而改變功率因數，但其結構笨重，易產生低頻噪聲且最大功率因數只能在70％。主動式PFC一般為有源功率因數調整，可簡單歸納為升壓型開關電源電路，具有體積小，輸入電壓寬以及功率因數高等優點，功率因數可接近100％。

2 高功率因數電源設計方案
2．1 功率因數監測
該設計采用相位差測量法，即分別對變壓器副邊檢測的電壓、電流信號先經比較器整形，然后通過計算得到電壓電流的相位差，再進行余弦運算，即可得到系統的功率因數。負載端輸出電壓、電流經采樣得到系統視在功率。根據P=S×cosQ=S2-P2(Q表示無功功率)計算電源的有功功率、無功功率等參數。該方法易于操作，而且通過等精度法測相，可達到很高精度，從而能很好滿足系統要求。
2．2 功率因數校正
該系統采用有源功率因數校正，可改善電源輸入功率因數，減小輸入電流諧波。其主要實現方式有2 種：(1)兩級PFC技術，即在整流濾波和DC／DC功率級之間加入有源PFC電路為前置級，用于提高功率因數和實現DC／DC級輸入的預穩，該技術一般用于較大功率輸出場合；(2)單級PFC技術，即將PFC級與DC／DC級中的元件共用，實現統一控制，通常共用器件為MOSFET。該方式設計與優化尤為重要，適用于小功率應用。
有源功率因數校正的控制方式又可根據電感電流是否連續分為平均電流型控制、CCM／DCM邊界控制和電流箝位控制模式。其中CCM／DCM邊界控制 Boost PFC是一種滯后控制技術，其上限為正弦基準電流，由輸出檢測信號經誤差放大后與輸入全波電壓檢測信號相乘得到，下限為零。具體工作過程為：檢測電感電流并與正弦電流基準信號相比較，當電感電流達到該基準時，關斷開關：當電感電流為零則再次導通，使電感電流為臨界電流工作狀態。即CCM／DCM邊界，可消除二極管的反向恢復損耗，大大減小主開關的非零電壓導通損耗。該技術優點是控制簡單，使用專用器件的外圍元件數量少。運用Boost電路的PFC，在 CCM模式下輸入電流畸變小且易于濾波，開關管的電流應力也小，可以處理較大的功率并保持較高的效率。