新型功率因数校正技术在通信开关电源中的应用研究

郑真福，张小纲，熊小豪

（69016部队，新疆 乌鲁木齐 830092）

0 引 言

传统的通信开关电源通常采用整流电路将交流电转换为直流电，并通过电容滤波降低纹波电压。然而，这种设计常常存在功率因数低和谐波污染等问题。功率因数是衡量电路对电网负载的有功功率和视在功率之比的参数，通常用于评估电路的能效。功率因数低意味着电路对电能的利用率较低，存在能源浪费情况。通过引入先进的功率因数校正技术，可提高通信开关电源的功率因数，减少能源浪费，提高电网利用率[1]。

1 通信开关电源新型功率因数校正技术的原理

1.1 传统功率因数校正技术的局限性

1.1.1 使用电容滤波的问题

传统通信开关电源通常使用电容滤波降低纹波电压，但电容滤波会引入较大的谐波电流，导致功率因数降低，出现谐波污染，对电网造成不良影响，并干扰其他设备的正常运行。

1.1.2 线性负载和非线性负载之间的差异

传统技术通常假设负载是线性的，即负载电流与电压之间存在固定的相位差。实际应用中，通信开关电源连接的负载往往是非线性的，如计算机和电视机等电子设备。传统技术难以有效适应非线性负载的特点，导致功率因数校正困难[2]。

1.1.3 传统技术对谐波抑制的效果较差

谐波电流会对电网和其他设备造成干扰，而传统技术难以有效抑制谐波的生成和传播，无法满足电网对电能质量的要求。

1.2 新型技术的实现方式

针对传统功率因数校正技术存在的局限性，提出一种新型功率因数校正技术。一是采用无电容滤波的设计，避免电容引入谐波电流，提高功率因数，并减少谐波污染。二是提升对非线性负载的适应性。新型技术考虑通信开关电源连接的负载往往具有非线性特点，采用更加智能和灵活的控制策略，通过实时监测负载特性和动态调整控制参数，使功率因数校正技术能够适应不同类型的负载，实现更好的功率因数校正效果。三是改进谐波抑制技术。新型技术引入更高效的谐波抑制方法，如使用谐波滤波器和多级逆变器等[3]。

2 通信开关电源新型功率因数校正技术的性能影响因素

2.1 电源负载特性

电源负载特性通常用负载电流和负载电压之间的相位差描述，用θ表示。传统通信开关电源的负载通常是非线性的，相位差θ≠0°，功率因数较低，导致电源对电能的利用率低，增加了电网负担，并引发谐波污染。新型功率因数校正技术的目标之一是提高功率因数，降低相位差θ。通过控制电源输出波形的相位和幅值，可提升功率因数校正效率。常见的方法是采用有源功率因数校正技术，通过引入补偿电流，使得负载电流与负载电压之间的相位差趋近于0°，从而提高功率因数[4]。电源负载特性的影响因素如表1所示。表1中：PF为功率因数；P为有功功率；S为视在功率；THD为谐波失真率；THD1、THD2、…、THDn为各次谐波电流与基波电流之比的失真率；PC为功率因数校正率；PFc为校正后的功率因数；PFu为未校正的功率因数；HR为谐波抑制率；THDc为校正后的谐波失真率；THDu为未校正的谐波失真率。这些性能影响因素均可以通过实验和测量获得。

表1 电源负载特性的影响因素

2.2 输入电压波动

2.2.1 功率因数偏移

输入电压波动会导致通信开关电源的输入功率和输入视在功率发生变化，从而引起功率因数的偏移。输入电压波动越大，功率因数偏移越明显。

2.2.2 系统稳定性

输入电压波动也会影响通信开关电源的稳定性。过大的输入电压波动会导致电源输出的波形不稳定，出现额外的谐波或电压失真，从而降低功率因数校正技术的性能[5]。

2.3 系统拓扑和控制算法

系统拓扑主要分为单级变换器拓扑、多级变换器拓扑以及混合变换器拓扑，其特点和应用场景如表2所示。

表2 系统拓扑

控制算法主要包括前馈控制算法、反馈控制算法以及模型预测控制算法等。

前馈控制算法是一种基于负载电流信息的控制算法。通过实时监测负载电流，根据负载特性和功率因数目标值，将合适的补偿信号引入通信开关电源的控制回路，快速响应负载变化，从而精确校正功率因数。

反馈控制算法是一种基于电压和电流反馈信号的控制算法，实时采样和测量电源输出的电压和电流，并与期望值进行比较。根据比较结果进行控制调节，实现功率因数校正。反馈控制算法具有较好的稳定性和健壮性，能够在不同负载条件下实现有效的功率因数校正。

模型预测控制算法是一种基于系统模型的控制算法。该算法使用电源和负载的数学模型进行预测，并通过优化算法计算最优控制策略，实现功率因数校正。模型预测控制算法考虑系统的动态特性和约束条件，提高了控制精度和性能。约束条件包括系统动态响应、电源能力以及负载要求等。

2.4 外界干扰

2.4.1 电力系统噪声

电力系统中存在各种噪声源，如电源波动和电网电压的变化等。噪声会对功率因数校正技术的测量和控制环节产生干扰，导致功率因数校正出现不准确的情况。

2.4.2 电磁干扰

通信开关电源往往在电磁干扰较为复杂的环境中工作，如无线通信基站和高频电磁辐射区域等。电磁干扰会对功率因数校正技术的传感器、控制电路以及信号传输过程产生干扰，影响功率因数校正的稳定性和准确性。

3 通信开关电源新型功率因数校正技术的应用案例

3.1 基于谐振电路的功率因数校正方案在通信开关电源中的应用

根据通信开关电源的负载特性和谐振电路的原理，设计合适的谐振电路。谐振电路通常由电容、电感以及开关等器件组成，用于产生谐振电流，使通信开关电源的输入电流与输入电压之间的相位差趋近于0°。通过实时监测通信开关电源的输入电流和输入电压，根据谐振电路的工作状态设计控制算法，实现对开关器件的开关控制。控制算法根据负载特性和电网条件进行动态调整，以实现最佳的功率因数校正效果。将设计好的谐振电路和控制算法集成到通信开关电源系统，进行系统级优化和调试，确保谐振电路与通信开关电源的其他模块相互协调工作，实现稳定的功率因数校正。

谐振电路根据负载特性自适应调整，实现输入电流和输入电压的相位匹配，从而有效提高通信开关电源的功率因数。谐振电路能够有效抑制通信开关电源中产生的谐波电流，减少对电网和其他设备的干扰，提高电网质量。功率因数校正方案能够改善通信开关电源的功率因数，减少能源浪费，提高电能的利用效率。基于谐振电路的方案具有较高的灵活性和适应性，能够适应不同类型的负载和不稳定的电网条件，保持稳定的功率因数校正效果。

3.2 基于有源滤波器的功率因数校正方案在通信开关电源中的应用

通过电流传感器检测通信开关电源输入端的电流，并将检测的电流信号输入控制回路。控制回路根据检测的电流信号，结合相应算法计算系统的功率因数值。功率因数计算通常涉及相位角的测量和功率因数校正算法的运算。基于计算得到的功率因数值，控制回路调整有源滤波器的工作状态和参数。有源滤波器能够实时响应电流波形的变化，通过注入适当的电流补偿，使输入端的电流与电压之间达到更接近理想功率因数的状态。通过控制有源滤波器，实现对输入端电流的调节和校正，改善通信开关电源的功率因数。同时，有源滤波器能够有效抑制谐波电流，减少对电网和其他设备的干扰。通过实时校正电流波形，通信开关电源的功率因数接近1，提高了能源利用效率，减少了能源浪费。

3.3 基于变频调速技术的功率因数校正方案在通信开关电源中的应用

在通信开关电源中添加功率因数检测模块，实时监测功率因数的数值。该模块能够采集电流和电压波形，并计算功率因数。通过该检测模块，可实时了解通信开关电源的功率因数水平。通过控制开关电源的输出频率，可精确调节电源输出功率。借助变频调速技术，实时调整开关电源的输出功率，使其与负载需求匹配，从而提高能源利用效率和功率因数。基于功率因数检测模块的实时数据，开发适合通信开关电源的功率因数校正算法。该算法能够根据检测的功率因数值，结合变频调速技术，精确调整开关电源的输出功率，以达到设定的目标功率因数。通过控制系统实时控制和监测功率因数校正方案，获取功率因数检测模块的数据，并根据功率因数校正算法的计算结果调整参数，从而实现对通信开关电源功率因数的校正控制。

4 结 论

文章研究了新型功率因数校正技术在通信开关电源中的应用，分析影响通信开关电源新型功率因数校正技术性能的因素，主要包括电源负载特性、输入电压波动、系统拓扑和控制算法、外界干扰以及环境条件等。基于谐振电路、有源滤波器以及变频调速技术的应用案例，展示新型功率因数校正技术的实际应用效果。未来应当进一步探索新型功率因数校正技术在通信开关电源中的优化和创新，以提高功率因数改善效果和谐波干扰抑制能力。