開關電源功率因數校正電路設計與應用實例之：概述

前級從220V交流電網整流提供直流是在電力電子技術及電子設備中應用極為廣泛的一種基本變流方案。但整流器;電容濾波電路是一種非線性器件和儲能元件的組合，因此雖然輸入交流電壓是正弦波，但輸入電流波形卻嚴重畸變，呈脈沖狀，含有大量的諧波，使輸入電路的功率因數達不到0.7。

由于常規整流裝置使用晶閘管或二極管，整流器件的導通角遠小于180°，從而產生大量諧波電流成分，而諧波電流不做功，只有基波電流做功，功率因數很低。全橋整流器電壓和電流波形如圖1-1所示。

圖1-1全橋整流器電壓和電流波形

因此，必須采取適當的措施來減小輸入電流波形的畸變，提高輸入功率因數，以減小電網污染。如信息產業部在通信電源的入網檢測中就要求1500W以上的電源設備，其功率因數必須高于0.92；以下的電源設備，其功率因數必須高于0.85。

目前，主要用來提高功率因數的方法有)電感無源濾波，這種方法對抑制高次諧波有效，但體積大，重量大，在產品設計中其應用將越來越少；逆變器有源濾波，對各次諧波響應快，但設備造價昂貴；三相高功率因數整流器，效率高、性能好，近年來其控制策略和拓撲結構處于不斷發展中。單相有源功率因數校正(APFC),通常采用Boot電路，CCM工作模式，因其良好的校正效果，目前在產品設計中得到越來越廣泛的應用。

(1)諧波

圖1-2電流波形中的諧波成分

圖1-2顯示了電流波形中的諧波成分，基波(在本例中為60Hz)以100%的參考幅度顯示，而高次諧波的幅度則顯示為基波幅度的百分比。注意到幾乎沒有偶次諧波，這是波形對稱的結果。如果波形包含無限窄和無限高的脈沖(數學上稱為函數)則頻譜會變平坦，這意味著所有諧波的幅度均相同。

從前面的描述可以清楚地看到，高功率因數和低諧波是一致的。但是，它們之間沒有直接的關系，總諧波失真和功率因數的關系體現在下列等式：

PF=Kd×K (1-2)

Kd=

式中，Kd為失真系數；K為輸入電流的基波分量和輸入電壓的相角系數。

因此，當輸入電流的基波分量和輸入電壓同相時，K=1且

PF=Kd×K=Kd

即使是完美的正弦電流，只要它的相位和電壓不一致，也會得出欠佳的功率因數。對純正弦波電壓和電流而言，由于它的總諧波成分為零，所以波形失真系數為1，并且正弦波電壓和電流之間相位差為0，從而電源輸入側的功率因數就為1，如果正弦波電壓和電流之間相位差不為0，則電路的功率因數是它們相位差的余弦值。

當=0，時(為計算方便)，功率因數與THD間存在如表1-1所示的關系。可見，當THD≤5%時，功率因數可控制在0.999左右。由此得出，10%的THD對應大約于0.995的功率因數。顯然，無論是從電流的最小化還是減小對其他設備的干擾角度來看，對每個諧波設定限制可以更好地完成控制輸入電流“污染”的目標。雖然這個對輸入電流進行整形的過程通常被稱作功率因數校正，但在國際規范中，通常以諧波含量來衡量整形是否成功。

表1-1功率因數與THD間關系

因此，如何消除和抑制諧波對公共電網的污染，提高功率因數成為當今國內外電源界研究的重要課題。PFC，技術應用到新型開關電源中，已成為新一代開關電源的主要標志之一。

（4）不良功率因數的成因

由PF=可知，PF值由以下兩個因素決定：一是輸入基波電壓與輸入基波電流的相位差，二是輸入電流的波形畸變因數。

①相控整流電路

對于常見相控整流電路，其基波電壓和基波電流的位移因數如表1-2所示。

表1-2常見相控整流電路基波電壓和基波電流的位移因數

功率因數低的主要原因是基波電壓和基波電流位移因數，即受可控硅控制角的影響，使電流滯后于電壓，即≤1。改善功率因數的措施，一般是在負載端并聯一個性質相反的電抗元件。若電網呈感性，通常采用電容補償的方法。