開關電源功率因數校正電路設計與應用實例之：概述（二）

(6) 開關電源的功率因數

開關電源以其效率高、功率密度高而在電源領域中占主導地位，開關電源多數是通過整流器與電力網相接的，經典的整流器是由二極管或晶閘管組成的一個非線性電路，在電網中會產生大量的電流諧波和無功功率而污染電網，成為電力公害。傳統的開關電源存在一個致命的弱點，即功率因數較低，一般僅為0.45～0.75，而且其無功分量基本上為高次諧波，其中三次諧波的幅度約為基波幅度的95%，五次諧波的幅度約為基波幅度的70%，七次諧波的幅度約為基波幅度的45%，九次諧波的幅度約為基波幅度25%。

開關電源已成為電網最主要的諧波源之一，針對高次諧波的危害，從”//)年起國際上開始以立法的形式限制高次諧波，傳統的開關電源在此限制之列。我國國家技術監督局在1993年頒布了國家標準GB/T 14549-93《電能質量公用電網諧波》。國際電工委員會(International Electrotechnical Commission IEC)于1998年對諧波標準IEC5552進行了修正，另外還制定了IEC61000-3-2標準，其A類標準對電網諧波的要求見表1-3。傳統整流器因諧波遠遠超標而面臨前所未有的挑戰。

抑制開關電源產生諧波的方法主要有兩種：一是被動法，即采用無源濾波或有源濾波電路來旁路或濾除諧波;二是主動法，即設計新一代高性能整流器，它具有輸入電流為正弦波、諧波含量低、功率因數高等特點，即具有功率因數校正功能。國外改善開關電源功率因數的研發工作的重點，主要是在功率因數校正電路的拓撲結構和功率因數校正控制IC(如UC3842～UC3855A系列,KA7524,TDA4814)的開發等領域展開研發工作。國內一些廠家也做了類似的工作，采用功率因數校正電路的開關電源，其功率因數可達到0.95～0.99近似于1。近年來功率因數校正電路得到了很大的發展，為電力電子學研究的重要方向之一。

常規開關電源的功率因數低的根源是整流電路后的濾波電容使輸出電壓平滑，但卻使輸入電流變為尖脈沖，如圖1-6所示，而整流電路后面不加濾波電路，僅為電阻性負載時，輸入電流即為正弦波，并且與電源電壓同相位，功率因數為1。

于是功率因數校正電路的基本思想是將整流器與濾波電容隔開，使整流電路由電容性負載變為電阻性負載。在功率因數校正電路中，其隔離型電路如圖1-7所示。但這種電路結構不能實現輸入與輸出的電隔離。

圖1-6 常規開關電源輸入電壓與輸入電流波形

圖1-7 基本隔離型PFC電路

圖1-8 電容輸入的電路

新型低污染、高效率、低應力、低輸出紋波開關電源主要包括EMI及浪涌吸收濾波電路，前級有源軟開關功率因數校正電路，相移諧振軟開關DC/DC變換電路及輸出紋波抑制電路等。

一般開關電源的輸入整流電路如圖1-8所示，市電經整流后對電容充電，其輸入電流波形為不連續的脈沖，如圖1-9所示。這種電流除了基波分量外，還含有大量的諧波，其有效值I為：

式中

，分別表示輸入電流的基波分量與各次諧波分量。

諧波電流使電力系統的電壓波形發生畸變，將各次諧波有效值與基波有效值的比稱之為總諧波畸變(Total Harmonic Distortion，THD)其表達式為：

THD=