开关电源功率因数校正电路

摘　要：电子产品中开关电源的广泛应用，给供电线路带来了大量的谐波污染，这些谐波既影响了其他电子设备的正常工作，又也造成了电力能源的浪费。所以如何消除开关电源所产生的高次谐波，提高能源的利用率，成了开关电源设计过程中必须要考虑的内容，这就是功率因数校正技术。随着功率因数校正技术的不断向前发展，校正电路的形式和结构越来越丰富，越来越多的集成模块被开发出来，这样既简化了电路结构，又提高了电路的技术参数。

关键词：功率因数开关电源功率因数校正
1. 前言
　　在开关电源出现以前，功率因数校正主要是为了解决在感性负载或容性负载电路中，电流和电压不同相的问题，以提高电源的利用效率。在开关电源被广泛使用之后，功率因数校正又有了新的内容。
　　开关电源大都是在整流后直接用一个大容量的电容滤波，在滤波电容的充、放电作用下，电容两端的直流电压输出略呈锯齿状的波纹。由于滤波电容上电压的最小值远非为零，与其最大值(波纹峰值)相差并不多，又因为整流二极管的单向导电性，只有在供电线路中交流电压的瞬时值大于滤波电容上的直流电压时，整流二极管才会因正向偏置而导通。而当AC输入电压瞬时值低于滤波电容上的电压时，整流二极管又会因反向偏置而截止。也就是说，在AC线路电压的每半个周期内，只有在其峰值附近，二极管才会导通。因此，虽然供电线路中的输入电压大体保持了正弦波波形，但供电线路中的输入电流却呈尖峰脉冲状。这种波形严重失真的电流中含有大量的高次谐波。由于要保证负载功率的要求，在二极管导通期间会产生极大的导通电流，使供电电路中的供电电流呈幅值极高的尖顶尖顶脉冲状态，它不仅降低了对供电的利用效率，更为严重的是它在供电线路容量不足，或电路负载较大时会产生严重的交流电压的波形畸变，并产生多次谐波，从而，干扰了其它用电器具的正常工作。
　　现在功率因数校正的含义，不再仅仅是解决供电的电压和电流不同相位的问题，更要解决的是因供电电流呈强脉冲状态，而引起的电磁干扰(EMI)和电磁兼容(EMC)的问题。
2. 什么是功率因数
　　在开关电源出现以前，功率因数主要是指电路中电压和电流相位差的余弦值，开关电源出现以后，考虑到电路中有高次谐波成份，就把功率因数（PF）定义为有功功率(P)和视在功率(S)的比值。该公式为：
　　          (1-1)
公式中：I1为输入电流基波有效值；U1为输入电压基波有效值；IR为电网中电流的有效值，IR= ， 其中 I1、I2、…、In为输入电流中1次、2次至n次谐波的有效值 ；γ定义为为输入电流的波形畸变因数；称为基波电压和基波电流的位移因数。由此可见，功率因数的大小由输入电流的波形畸变因数以及基波电压和基波电流的位移因数共同决定。越小，则设备产生的无功功率就越大，设备利用电源的效率越低，导线和变压器绕组中的感抗损耗就越大；γ 越小，表示设备输入电流谐波成分越大，将造成线路中输入的电压波形畸变，对供电电网造成污染，使功率因数降低，严重时会干扰其他电子设备正常工作甚至造成电子设备的损坏。通常无源电容滤波二极管整流电路输入端的功率因数只能达到0.65 左右 。从式(1-1)可见，抑制电路中的电流的高次谐波分量即可以减小γ，提高功率因数。如何抑制消除谐波对公共电网的污染、提高功率因数已成为每个开关电源设计工程师必须要考虑的问题。
3. 功率因数校正的方法
　　目前广泛应用的改善功率因数的方法主要有以下几种：
　　① 多脉冲整流法。它是利用变压器对各次不同谐波电流进行移相，使奇次谐波（开关电源中的谐波主要是奇次谐波）在变压器次级相互叠，进而消除谐波。这种方法主要应用于变压器负载平衡时的低次谐波的滤除。
　　② 无源滤波法。利用一个滤波电感，串连在整流和滤波电容之间，或在交流电源输入侧接入一个谐振滤波器。该方法的主要优点是电路结构简单，成本低，稳定性高，电磁干扰比较小；缺点就是是电感电容的尺寸大，重量大，功率因数改善有限（一般可提高到0.9左右），电路的工作性能与频率、负载变化及输入电压有关，并且电感和电容间有教大的充放电电流等。该方法对抑制电路中的高次谐波有效，不过滤波设备体积庞大，而且运行的时候会受到系统阻抗的影响，若不使用调谐电抗器，就有可能会与系统中的电抗产生谐振。
　　③ 有源功率因数校正。它直接采用高频的有源开关或采用AC/DC变换方法，迫使输入电流成为和电网电压同相位的正弦波。在整流电路和负载电路之间接入一个DC/DC开关变换器，采用电流负反馈技术，使输入端的电流波形跟踪交流输入正弦电压的波形，从而使供电线路输入端的电流波形近似为正弦波，并与输入的供电电压同相位。该方法的主要特点是：可得到比无源滤波更高的功率因数，总谐波电压的波形畸变小，可在较宽的电压输入范围内和更大的带宽内工作，电路的体积小、重量轻，输出的电压也可保持恒定。主要缺点是：电路结构复杂，平均无故障时间下降，成本较高，效率会有所降低等。
　　综上所述，凡是能够消除电路中的高频谐波成份，改善输入电流的波形，使其成为或无限接近于供电电压的的正弦波形，就可实现功率因数校正的目的。
4. 功率因数校正电路的结构形式
　　目前，功率因数校正电路可以简单的分成无源和有源两种。无源功率因数校正电路，通常是在滤波电容之前，加上一个大容量的电感，由电感抑制电路中的高频电流，进而改善功率因数，不过效率不高而且电路体积大而笨重。有源功率因数校正电路，往往是利用一个高频开关，控制电流的的通断，进而让电流波形和电压波形大体相似，以改善电路的功率因数。有源功率因数校正电路的特点是体积较小，重量轻，功率因数比无源功率因数校正电路的高。图（1）给出了功率因数校正电路的三种不同的结构形式。
　　
　　图（1）
　　由于Boost电路结构简单，实现成本低，所以它是目前应用最广泛的功率因数校正电路。除了上述特点以外，在Boost电路中与整流桥串联的电感能减小高频噪声，减小输入滤波器的体积，从而降低了成本。
　　Boost拓扑结构的功率因数校正电路工作在连续电流模式（也就是说输入端的电感电流在整个切换周期内是连续导通的），利用输入电容Ｃｉ可减少切换时所造成的杂信号回流至交流电源。此外，Boost电感只储存一小部分的转换能量，因为交流电源在电感去磁 期间，即MOSFET在关断期间仍持续供给能量，所以与其他拓扑结构相比，Boost拓扑结构只需较小的电感。
5. 小结
　　随着开关电源的快速发展和大量应用，人们对功率因数校正电路的研究也越来越深入和全面。现在市面上已经有了很多的功率因数校正集成模块，人们已经能够很容易的利用这些模块来设计简单而又高效率的开关电源电路。但是，人们并没有停止继续探索，还有很多学者和工程师们在这个领域继续着创新和进步。
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