功率因数校正电路工作原理

文章摘要： 功率因数校正（英文缩写是PFC）是目前比较流行的一个专业术语。PFC是在20世纪80年代发展起来的一项新技术，其背景源于离线开关电源的迅速发展和荧光灯交流电子镇流器的广泛应用。PFC电路的作用不仅是提高线路或系统的功率因数；更重要的是可以解决电磁干扰（EMI）和电磁兼容（EMC）问题。线路功率因数降低的原因及危害：导致功率因数降低的原因有两个，一个是线路电压与电流之间的相位角ψ，另一个是电流或电压的波形失真。前一个原因人们是比较熟悉的。而后者在电工学等书籍中却从未涉及。功率因数（PF）定义为有功功率（P）与视在功率（S）之比值，即PF=P/S。对于线路电压和电流均为正弦波波形并且二者相位

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   功率因数校正（英文缩写是PFC）是目前比较流行的一个专业术语。PFC是在20世纪80年代发展起来的一项新技术，其背景源于离线开关电源的迅速发展和荧光灯交流电子镇流器的广泛应用。PFC电路的作用不仅是提高线路或系统的功率因数；更重要的是可以解决电磁干扰（EMI）和电磁兼容（EMC）问题。
　　线路功率因数降低的原因及危害：
　　导致功率因数降低的原因有两个，一个是线路电压与电流之间的相位角ψ，另一个是电流或电压的波形失真。前一个原因人们是比较熟悉的。而后者在电工学等书籍中却从未涉及。

　　功率因数（PF）定义为有功功率（P）与视在功率（S）之比值，即PF=P/S。对于线路电压和电流均为正弦波波形并且二者相位角为ψ时，功率因数PF即为cosψ。由于很多家用电器（如排风扇、抽油烟机等）和电气设备是既有电抗的阻抗负载，所以才会存在着电压与电流之间的相位角ψ。这类电感性负载的功率因数都较低（一般为0.5~0.6），说明交流（AC）电压设备的额定容量不能充分利用，输出大量的无功功率，致使输电效率降低。为提高负载功率因数，往往采取补偿措施。最简单的方法是在电感性负载两端并联电容器，这种方法称为并联补偿。
　　PFC方案完全不同于传统的"功率因数补偿"，它是针对非正弦电流波形而采取的提高线路功率因数、迫使AC线路电流追踪电压波形的瞬时变化轨迹，并使电流与电压保持同相位，使系统呈纯电阻性的技术措施。
　　长期以来，像开关型电源和电子镇流器等产品，都是采用桥式整流和大容量电容滤波电路实现AC-DC转换的。由于滤波电容的充、放电作用，在其两端的直流电压出现略呈锯齿波的纹波。滤波电容上电压的最小值远非为零，与其最大值（纹波峰值）相差并不多。根据桥式整流二极管的单向导电性，只有在AC线路电压瞬时值高于滤波电容上的电压时，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，整流二极管因反向偏置而截止。也就是说，在AC线路电压的每个半周期内，只是在其峰值附近，二极管才会导通（导通角约为70°）。虽然AC输入电压仍大体保持正弦波波形，但AC输入电流却呈高幅值的尖峰脉冲，如图1所示。这种严重失真的电流波形含有大量的谐波成份，引起线路功率因数严重下降。若AC输入电流基波与输入电压之间的位移角是ψ1，根据傅里叶分析，功率因数PF与电流总谐波失真（度）THD之间存在下面关系。
  实测表明，对于未采取PFC措施的电子镇流器，仅三次谐波就达60％（以基波为100％），THD会超过电流基波，PF不超过0.6。线路功率因数过低和电流斜波含量过高，不仅会对造成电能巨大浪费，而且会对电力系统产生严重污染，影响到整个电力系统的电气环境，包括电力系统本身和广大用户。都对AC线路电流谐波作出了具体的限制要求。
　　为提高线路功率因数，抑制电流波形失真，必须采用PFC措施。PFC分无源和有源两种类型，目前流行的是有源PFC技术。
　　有源PFC升压变换器
　　有源PFC电路相当复杂，但半导体技术的发展为该技术的应用奠定了基础。基于功率因数控制IC的有源PFC电路组成一个DC－DC升压变换器，这种PFC升压变换器被置于桥式镇流器和一只高压输出电容之间，也称作有源PFC预调节器，有源PFC变换器后面跟随电子镇流器的半桥逆变器开关电源的DC－DC变换器。有源PFC变换器之所以几乎全部采用升压型式，主要是在输出功率一定时有较小的输出电流，从而可减少输出电容器的容量和体积，同时也可减少升压电感元件的绕组线径。
　　PFC变换器有不同的分类方法，按通过升压电感元件电流的控制方式来分，主要有连续导通模式（CCM）、不连续导通模式（DCM）及介于CCM与DCM之间的临界或过渡导通模式（TCM）三种类型，不论是哪一种类型的PFC升压变换器，都要求其DC输出电压高于最高AC线路电压的峰值。在通用线路输入下，最高AC线路电压往往达270V，故PFC变换器输出DC电压少是380V（270***V），通常都设置在400V的电平上。

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