有源功率因数校正变换器的实现

邬寅生  姜忠山  鲁  芳

（海军航空工程学院自控系，烟台，264001）

摘  要：本文介绍了开关电源功率因数校正的实质，分析了功率因数校正的电路实现方法，并提出了变换器的相关要求。

关键词：功率因数  校正  变换器

Realization Of Active Power Factor Correction Converter

Wu Yinsheng  Jiang Zhongshan  Lu fang

(Naval Aeronautical Engineering Academy)

Abstract：The principle of the active power factor correction and its realization are discussed in this paper. The corresponding requirements of designing converter are put forward.

Key words：power factor  correction  converter

1  引  言

近年来，随着电子技术的发展，各种办公自动化设备，家用电器，计算机被大量使用。这些设备的内部都需要一个将市电转化为直流的电源部分。在这个转换过程中，由于一些非线性元件的存在，导致输入的交流电压虽然是正弦的，但输入的交流电流却严重畸变，包含大量谐波。而谐波的存在，不但降低了输入电路的功率因数，而且对公共电力系统产生污染，造成电路故障。

有源功率因数校正技术能够解决上述问题，实现各种电源装置网侧电流正弦化，使功率因数接近1，极大地减少电流的高次谐波，消除无功损耗。本文旨在阐明功率因数校正的基本原理，分析功率因数校正变换器的实现方法，进而提出设计变换器的相关要求。

2  有源功率因数校正的基本原理

一般开关电源的输入整流电路为图1所示。

市电经整流后对电容充电,其输入电流波形为不连续的脉冲，如图2所示。

这种电流除了基波分量外还含有大量的谐波，其有效值I为：

I=

式中，I1，I2，…… In，……分别为电流基波分量与次谐波电流的有效值。

谐波电流使电力系统的电压波形发生畸变，我们将各次谐波有效值与基波有效值的比称之为总谐波畸变THD（Total Harmonic Distortion）：

THD=                       （1）

用来衡量电网的污染程度。

   功率因数（PF）定义为有功功率（P）与视在功率（S）的比值，如下式：

PF=                        （2）

式中：U为电网电压有效值

Cos 为基波电压、基波电流位移因数

I1／I为电网电流畸变因数

当 =0时，由式（1）、（2）可见功率因数与总谐波畸变THD的关系为：

    PF=                                  （3）

由式（3）可见THD越小，功率因数越高。因此改善开关整流设备功率因数的关键就是要降低THD。

综上所述，只要设法抑制输入电流中的谐波分量，通过电路方法，将输入电流波形校正为或无限接近正弦波，即可实现功率因数校正。

为此在整流器和负载之间接入一个DC-DC开关变换器，应用电压、电流反馈技术，使输入端电流波形跟踪交流输入正弦电压波形，可以使输入电流接近正弦。从而使输入端THD小于5%，而功率因数可提高到0.99或更高。由于这个方案中应用了有源器件，故称为有源功率因数校正（APFC）。

3  有源功率因数校正的实现方法

实现功率因数校正的电路有很多，从原理上说，任何一种DC-DC变换器拓扑都可以用作功率因数校正（PFC）的主电路。但是由于Boost变换器具有诸多优点，大部分功率因数校正都用它来作主电路。以Boost变换器为基础，基本的PFC电路可分为三类：硬开关PFC电路，软开关PFC电路，隔离式PFC电路。

3.1  硬开关PFC电路

图3为一个Boost硬开关PFC电路的原理图。由于功率开关管的开通

或关断是在器件上的电压或电流不为零的状态下进行的，即强迫器件在其电压不为零时开通，或电流不为零时关断，所以称之为硬开关PFC电路。由图可见，主电路由单相桥式整流器和DC-DC Boost变换器组成，虚线框内为控制电路，包括：电压误差放大器VA及基准电压Vr，电流误差放大器CA，乘法器M，脉宽调制器和驱动器等，负载可以是一个开关电源。

PFC的工作原理如下：主电路的输出电压VO和基准电压Vr比较后，输入给电压误差放大器VA，整流电压Vdc检测值VA的输出电压信号共同加到乘法器M的输入端，乘法器M的输出则作为电流反馈控制的基准信号，与开关电流is检测值比较后，经过电流误差放大器CA加到PWM（图中未画出）及驱动器，以控制开关Tr的通断，从而使输入电流（即电感电流）iL的波形与整流电压Vdc的波形基本一致，使电流谐波大为减少，提高了输入端功率。由于功率因数校正器同时保持输出电压恒定，使下一级开关电源设计更容易些。

硬开关PFC电路具有输入电流连续，EMI小；电感电流即输入电流，便于电流控制；输入端电感可吸收电网电压尖峰；容易驱动，发射极（源极）电位为零等优点。但同时该电路也存在着缺点，即Tr管承受较大的电流应力和开通功耗，同时会产生很大的难以克服的电磁噪声，Tr容易损坏。

3.2  软开关PFC电路

图4为一个软开关PFC电路的原理图。所谓软开关指的是零电压开关或零电流开关。它是应用谐振原理，使开关变换器的开关器件中电流（或电压）按正弦或准正弦规律变化，当电流自然过零时，使器件关断；或电压为零时，使器件开通，实现开关损耗为零，从而可将开关频率提高到兆赫（MHz）级水平。

由图可见，在主开关Tr上除并联有谐振电容Cr外，还并联有一个谐振电感支路，由谐振电感Lr、辅助开关Tr1及二极管D1组成。辅助开关Tr1先于主开关Tr导通，使谐振网络工作。电容电压（即主开关电压）谐振下降到零，创造了主开关零电压导通的条件。同时谐振电感电流线性上升，而二极管D的电流线性下降直到零，D在零电流下关断。

控制电路如图4下半部分所示，采用双环控制原则。外环为电压环，起稳定输出电压的作用，内环为电流环，把桥整后的电压取样信号与电压误差放大器的输出信号相乘，作为电流环的电流基准信号。用Rs取样入端电流信号作为电流环的另一输入，其输出信号与定频锯齿波比较SPWM控制信号，此信号经处理生成Tr和Tr1的控制信号。

软开关PFC电路的主要优点是：主开关管零电压导通；二极管D能零电流截止，因此在输出大功率、高电压情况下应用，可避免因二极管反向恢复使关断损耗过大的问题；电流与电压应力小。它的不足之处是辅助开关Tr1不在软开关条件下运行，具有一定的损耗。

3.3  隔离式PFC电路

图5为一基本Boost单级隔离式PFC电路的原理图。图中L为升压电感，它对输入电流进行整流，使得输入电流满足电流谐波标准。开关Tr将功率因数校正级和电压变换级合成一级，用普通的PWM芯片控制开关的通断，电路就能同时满足输入侧高功率因数和输出电压的稳定与快速调节。储能电容既作为前级的输出又作为后级的输入。

与两级PFC技术（即前级进行功率因数校正，后级通过PWM控制完成输出电压的快速调节）比较，这种PFC方案仅要求一个电压控制环，控制简单、成本低廉、便于应用。但储能电容产生的峰值电流和电压较大，并引起很大的关断损耗，导致产生严重的电磁干扰（EMI）。

4  结  论

由以上分析可见，硬开关、软开关和隔离式PFC电路虽然都有各自的优点，但也存在着一定的缺点。

设计PFC变换器时，一般要求功率因数要高，具有良好的动态性能和稳定的输出电压，同时还要求开关损耗要小，电压应力低，开关频率高，体积小，成本低等。而单一类型的PFC变换器要同时满足这些要求是很困难的。这就要求采用复合类型的PFC变换器，在增加较少成本的条件下，尽可能满足各项要求。也可采用最优化设计方法，使变换器的某个技术或经济指标为最优或接近最优的情况下，获得该电路的一组最优参数，并满足其他各项性能指标要求。

参考文献：

[1] 张占松，蔡宣三。开关电源的原理与设计。电子工业出版社。1998

[2] 陈小明，施俊强。功率因数校正原理及相关IC。电源技术应用，4（11）：575～577。

[3] 谢勇。软开关功率因数整流器。电力电子技术，32（2）：13～17。

[4] 李云秀，孙建峰，邬伟扬。单级隔离式功率因数校正（PFC）变换器。中国电工技术学会电力电子学会第七次全国学术会议论文集。2000