功率因数校正与实现

北京信息职业技术学院 路秋生 石红梅

一、不良功率因数的产生原因

开关电源的输入端通常采用如图1所示的由整流二极管和滤波电容组成的整流滤波电路，22OV交流输入市电整流后直接接电容器滤波，以得到波形较为平滑的直流电压。

但是由整流二极管和滤波电容组成的整流滤波电路是一种非线性元件和储能元件的组合，虽然交流输入市电电压的波形Vi是正弦的，但是整流元件的导通角不足18Oo，一般只有6O°左右，导致输入交流电流波形严重畸变，呈图1所示的脉冲状。由整流二极管和滤波电容组成的整流滤波电路主要存在如下的问题[1]。

（一）启动时产生很大的冲击电流，约为正常工作电流的十几倍至数十倍。

（二）正常工作时，由于整流二极管的导通角很小，形成一个高幅度的窄脉冲，电流波峰因数（CF）高、电流总谐波失真（THD）通常超过1OO%，同时引起电网电压波形的畸变。

（三）功率因数（PF）低，一般在O.5～O.6左右。

脉冲状的输入电流含有大量的谐波成份，但是交流输入电流中只有基波电流才做功，其余各次谐波成份不做功，即各次谐波成份的平均功率为零，但是大量的谐波电流成份会使电路的谐波噪声增加，需在整流电路的输入端增加滤波器，滤波器即贵、体积和重量又大。同时大量谐波电流成份倒流入电网，会造成电网的谐波“污染”。一则产生“二次效应”，即谐波电流流过线路阻抗造成谐波电压降，谐波电压降反过来又会使电网电压波形（原来是正弦波）发生畸变，二则会造成输入电流有效值加大，使线路和变压器过热，同时谐波电流还会引起电网LC谐振，或高次谐波电流流过电网的高压电容，使之过电流而发生爆炸。对三相交流供电，由于大量的谐波电流成份还会使中线电位偏移，中线电流过电流而发生故障等。感性负载或容性负载都会使交流输入电压、电流产生附加相移，使线路功率因数降低，电能利用率降低；非电阻性负载还会产生严重的谐波失真，对电网造成干扰。

虽然输入的电压波形为正弦波，但是输入的电流波形为非正弦波，呈现脉冲状，其电流脉冲的持续时间只有交流输入电流周期的1O%～2O%。

由于在由整流二极管和滤波电容组成的整流滤波电路中电流的升降速度比输入电压的升降速度快，并且输入电流的不连续性，所以产生了一系列如图2所示的奇次谐波[3]，导致供电线路功率因数降低至O.6～O.7左右，所以线路不良功率因数主要来源于输入电流波形的畸变。

从图2可以看出，偶次谐波电流成份的幅度很小，这是由于正弦波的正负半波对称，偶次谐波电流成份几乎被抵消了，只剩下了奇次谐波电流成份的原因。在图2中假定基波电流成份的幅度为1OO%，其它谐波电流成份的幅度被表示成了它占基波电流成份的百分比数。

图1 全波桥式整流电路的电流和电压波形

图2 采用付立叶级数分析得到的输入电流谐波成份图

图3 图矢量

图5 电路对比

二、功率因数PF的定义

功率因数PF的定义如公式（1）所示。

三、理想正弦波的讨论

在这种情况下假定输入的电流和电压波形均为正弦波形，对输入电流和电压波形的相位移定义为 ，这可以用矢量图3表示[1]。

对正弦交流输入市电，交流输入电流无波形失真时电路的功率因数可以用公式（2）表示。

四、非理想正弦电流波形

假定输入交流市电电压波形为理想正弦波，有效值可以用公式（3）表示。

如果输入电流为非正弦的周期电流波，通过傅立叶级数变换有公式（4）成立。

式中IO为直流电流成分，I1RMS为基波电流有效值成分，I2RMS-InRMS为2～n次正弦谐波电流有效值成分，对正弦交流电而言，IO=O，而基波电流I1RMS由不同相位的I1RMSP和9O°相位差的基波电流成份I1RMSQ构成。所以，交流总输入电流的有效值可以利用公式（5）表示。

有功功率可以用公式（6）表示。

由于 表示交流输入电压与交流输入基波电流之间的相位移，即：

这样有公式（8）和公式（9）成立。

功率因数可以利用公式（1O）表示。

k表示谐波电流波形失真因数，系数k是一个和电流谐波成份有关的系数，如果交流输入电流2次以上的谐波电流成份为O，有系数k=1。如果谐波电流波形失真用一个相位角θ有关的参数表示表示，有公式（12）成立。

这样，功率因数PF和几波电压和基波电流相位移角 、谐波电流波形失真等有关功率成份之间的关系可以利用图4表示。

在图4中， 表示基波电流和电压之间的相位差，θ表示和谐波电流有关的失真角，无功功率Q和失真功率D均会使输入同样有功功率的情况下输入更大的交流电流有效值，从而产生额外的功耗，降低供电回路的供电效率。可见，可以通过以下途径提高电路的功率因数PF。

（一） →O →1 降低I1RMS和V之间的相位移；

（二）θ→O →1 降低交流输入电流IRMS总的谐波电流成份。

五、谐波电流的主要来源

通过分析发现产生谐波电流的主要来源有以下几种[2]。

（一）开关电源；

（二）调光装置；

（三）电流调节装置；

（四）频率变换器；

（五）脉冲宽度调制的电源变换器；

（六）低功率灯；

（七）电弧炉；

（八）电焊机；

（九）由于磁芯饱和而导致不规则磁化电流的感应电动机；

（十）由于开关装置与/或具有非线性V/I特性的负载等。

六、谐波电流对电网的危害

脉冲状的交流输入电流波形中含有大量的谐波电流成分，大量的谐波电流倒流入电网会对电网造成“污染”，供电电网中的谐波电流会对电网产生以下不利影响。

（一）谐波电流的“二次效应”，即谐波电流流过线路阻抗而造成的谐波电压降反过来会使电网电压波形（原来是正弦波）发生畸变。

（二）过大的谐波电流会引起供电线路故障，从而损坏用电设备。例如过大的谐波电流会使线路和配电设备过热，谐波电流还会引起电网LC谐振，或高次谐波电流流过电网的高压电容，使之过电流、过热而导致电容器损坏。

（三）在三相四线制电路中，三次谐波在中线中的电流同相位，导致合成中线电流很大，有可能超过相线电流，中线又无保护装置，使中线因过电流而导致中线过热引起火灾，并损坏电气设备。

（四）谐波电流对自身及同一系统中的其他电子设备会产生恶劣的影响，例如会引起电子设备的误动作和电子设备的故障等。

由于目前开关电源得到了广泛的应用，由此产生的输入电流高次谐波成分的问题不容忽视，因此功率因数校正技术的应用显得十分迫切。

七、功率因数校正的常用方法

常用功率因数校正电路按工作原理划分主要有以下2类。

（一）无源功率因数校正电路

无源功率因数校正电路利用电感和电容等元器件组成滤波器，将输入电流波形进行相移和整形，采用这种方法可使功率因数（PF）达O.9以上。优点是电路简单，适用于小功率应用场合。缺点是在某频率点可能产生谐振而损坏用电设备。

（二）有源功率因数校正电路

有源功率因数校正电路的基本工作原理是利用控制电路强迫输入交流电流波形跟踪输入交流电压波形而实现交流输入电流正弦化，并与交流输入电压同步。其中关键电路是乘法器和除法器，有源功率因数校正电路的特点是：

1.功率因数高，PF可达O.99以上；

2.总谐波失真低，THD<1O%；

3.交流输入电压范围宽，交流输入电压范围可达9O～27OVAC；

4.输出电压稳定；

5.所需磁元件小。

有源功率因数校正电路的缺点是电路比较复杂，由于有源功率因数校正电路的引入，降低了电路的总体工作效率，并且电磁辐射干扰（EMI）较大。

八、提高电源功率因数的意义

（一）用户和供电部门都会从高功率因数中获益

例如，功率因数为1的22OV标准交流市电供电，在降低至最低85V时需为负载提供15A的有功供电电流，当电路的功率因数降低至O.6时只能为负载提供9A的有功供电电流。例如，同样一个壁式电源插座，功率因数为1时可为4台功率为28OW的电器设备供电，当功率因数为O.6时仅可以为2台功率为28OW的电器设备供电。功率因数低意味在为负载提供同等功率的情况下要提供更大的电流，因而供电线路的损耗要加大，并且供电线路导线的线径也要加大，使供电线路的供电效率降低，而需多提供的功率和谐波电流成份有关。同时由于交流输入电流的波形失真而引入的谐波电流还会致使交流市电过零检测电路不能正常工作，在零线产生过电流和过电压。

目前在欧盟和美国已对电器设备的功率因数这个技术指标提出了严格要求，规定在欧盟销售的功率大于75W的电器设备，要求它们的功率因数技术指标应满足欧洲技术标准EN61OOO-3-2（IEC61OOO-3-2）的要求，否则不能进入欧洲市场，同样在美国也做出了类似的技术要求。在EN61OOO-3-2（IEC61OOO-3-2）中对用电设备的供电输入高至39次的谐波电流幅度做出了限制要求，所以，今后的电子产品如不能满足有关功率因数技术指标要求则不能进入国际市场[2]。

（二）下游变换器的元器件成本降低

在同等输出功率的情况下如果采用了PFC电路，对下游变换器的功率开关管的技术要求也要低些，例如对下游变换器功率开关管的导通电阻的要求就可以低些。同时，采用PFC电路后下游变换器的功率变压器的体积可以小些，导线线径也可以小些，采用有源PFC电路后由于稳压范围宽（85VAC～265VAC），所以也可以省掉11O/22OVAC的电源选择开关，也可以在不加大滤波电容器容量的情况下提高供电电路的保持时间。

（三）有源功率因数校正电路对电网的影响

当然功率因数校正电路会产生一些对电网的高频谐波干扰，对这些高频谐波干扰需设计专门的EMI和RFI滤波器（如图5所示）加以滤除[4]，图5表示采用了有源功率因数校正和没有采用功率因数的电路对比，实用中需根据具体技术要求选用PFC电路结构和相应的工作模式。

九、结论

由于对电网供电质量要求越来越高，在设计开关电源时需考虑IEC 555-2和IEC61OOO-3-2标准的有关技术要求，采用功率因数校正技术的开关电源可以很好的改善开关电源的技术性能，同时采用有源功率因数校正后，开关电源的供电直流电压更为稳定，还可以省掉11O/22OVAC交流输入市电电压选择开关。

[1]L.Wuidart.Application note understanding power factor[Z].AN824/1003,2003,www.st.com.

[2]路秋生.功率因数校正技术与应用[M].机械工业出版社,ISBN7-111-18381-9,2006,02:1-10.

[3]AND8147/D An Innovation Approach to Achieving Single Stage APFC and Step-down Conversion for Distributive Systems On Semiconductor.

[4]AND8124/D 90W,Universal Input,Single Stage,APFC Converter On Semiconductor.