电力电子 功率因数校正.docx

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OPFC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中，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①时，功率因数PF即为COS0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阻又有电抗的阻抗负 载，所以才会存在着电压与电流之间的相位角少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)电源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 容滤波电路来实现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l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61，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谐波含 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。

因此，IEC1000-3-2 《家用电器及类似类电气设备发出的谐波电流限制》和IEC929（GB/T15144）《管 形荧光灯交流电子镇流器的性能要求》等标准，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技术无源PFC电路无源PFC电路不使用晶体管等有源器件，而是由二极管、电阻、电容和电感等无 源元件组成无源PFC电路有很多类型，其中比较简单的无源PFC电路由三只二 极管和两只电容组成，如图2所示这种无源PFC电路的工作原理是：当50Hz 的AC线路电压按正弦规律由0向峰值Vm变化的1/4周期内（即在0

当瞬时AC电压幅值 小于1/2Vm时，电容C2通过VD7和负载放电当AC输入电压瞬时值低于无源 PFC电路的DC总线电压时，VD2和VD3截止，AC电流不能通过整流二极管，于 是IAC出现死区在AC电压的负半周开始后的一段时间内，VD1和VD4不会马 上导通只有在AC瞬时电压高于桥式整流输出端的DC电压时，VD1和VD4才 能因正向偏置而导通EN-1UIH|无凋忤［电路:* ■ 1-6一旦VD1和VD4导通，C1和C2再次被充电，于是出现与正半周类似的情况， 得到图3所示的AC线路输入电压VAC和电流IAC波形从图3可以看出，采用无源PFC电路取代单只电容滤波，整流二极管导通角明 显增大(大于120° )，AC输入电流波形会变得平滑一些在选择C1=C2=10叶/400V 的情况下，线路功率因数可达0.92~0.94，三次电流谐波仅约12%，五次谐波约 18%，总谐波失真THD约28~30%但是，这种低成本的无源PFC电路的DC输 出电压纹波较大，质量较差，数值偏低:仅约240V)，电流谐波成份并不能完全达 到低畸变要求当其应用于电子镇流器时，因其DC输出电压脉动系数偏大，灯 电流波峰比达2以上，超出1.7的限制要求。

欲提高无源PFC的效果，电路则变 得复杂，人们理所当然地会选择有源PFC方案有源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 变换器被置于桥式整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或开关电源的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，从而可减小输出电容器的容量和体积，同时也可减小升压电感元件 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电压至少是380V(270V "2V)，通常都设置 在400V的电平上工作在CCM的PFC变换器，输出功率达500W以上乃至3kW在DCM工作的PFC 变换器，输出功率大多在60~250W，应用比较广泛， 故在此作重点介绍。

工作于DCM的有源PFC升压变换器控制IC有几十种型号，如ST公司生产的 L6560、西门子公司生产的TDA4817/TDA4862、摩托罗拉公司生产的 MC33261/MC34261、三星公司生产的KA7524/KA7526、硅通公司生产的SG3561 等其中，L6560、KA7524/KA7526和MC33261等，在国内直接可以采购，应用 比较广泛这些器件全部采用8引脚DIP或SO封装，芯片电路组成大同小异， 其基本组成包括以电压误差放大器为中心的电压控制环路和以一象限乘法器、电流感测比较器及零电流检测器等构成的电流控制环路图4示出了 DCM升压型 PFC控制IC的内部结构及由其组成的预变换器电路这种PFC升压变换器的工作原理如下：当接通AC线路后，由于电容C1容值仅 为0.1~0.22 ^F，只用作高频旁路，故桥式整流输出为100Hz的正弦半波脉动电 压，亦即AC半正矢通过电阻R3的电流对电容C3充电，当C3上的电压升至IC 的启动门限（大多为11V左右）以上时，接通IC电源电压（VCC），IC开始工作，并 驱动PFC开关VT1动作一旦PFC升压变换器进入正常运行状态，升压电感器 T1的次级绕组则感生高频脉冲信号，经二极管VD5整流和电容C3滤波，为IC 提供工作电压和电流。

桥式整流后的人输入电压，经R1和R2组成的电阻分压 器分压，作为乘法器的一个输入（VM1）升压变换器的DC输出电压，在电阻分 压器下部电阻R9上的分压信号，反馈到IC误差放大器的反相输入端，并与误差 放大器同相输入端上的参考电压VREF比较，产生一个DC误差电压VEAO，也输 入到乘法器乘法器的输出VMO是两个输入（VM1和VM2）的结果，作为IC电流 感测比较器的参考当IC驱动VT1导通时，升压二极管VD6截止，流过L的电 流从0沿斜坡线性增加，并全部通过VT1和地回复一旦IL在开关周期内达到 峰值，VT1上的驱动PWM脉冲变为零电平，VT1截止，电感器L中的储能使VD6 导通，通过L的电流IL，沿向下的斜坡下降一旦IL降为零，L的次级绕组产生 一个突变电势被IC的零电流检测器接收，IC产生一个新的输出脉冲驱动VT1再 次导通，开始下一个开关周期IC的电流检测逻辑电路同时受零电流检测器和电 流传感比较器的控制，可确保在同一时刻IC只输出一种状态的驱动信号VT1 源极串联电阻R7用作感测流过VT1的电流只要R7上的感测电压超过电流传 感比较器的触发门限电平，PFC开关VT1则截止当AC线路电压从零按正弦规 律变化时，乘法器输出VMO为比较器建立的门限强迫通过L的峰值电流跟踪AC 电压的轨迹。

在各个开关周期内电感峰值电流形成的包迹波，正比于AC输入电 压的瞬时变化，呈正弦波波形在两个开关周期之间，有一个电流为零的点，但 没有死区时间，从而使AC电流通过桥式整流二极管连续流动（二极管的导通角几 乎等于180° ），整流平均电流即为AC输人电流（为电感峰值电流的1/2），呈正弦 波波形，且与AC线路电压趋于同相位，因而线路功率因数几乎为 1（通常为 0.98~0.995），电流谐波含量符合IEC1000-3-2标准的规定要求与此同时，由于 PFC电压控制环路的作用，PFC变换器输出经提升的稳压DC电压，纹波很大， 频率为100Hz，同样为正弦波其控制原理与开关电工零111/咛M尊网助歆;llIt较Hi* J&St-A a4IUUIvmMinpar 1「VW 1俄仪vi yAll HI-51咐I』翊/ ii tl姓波电赖IL祉h 甲糊楠入倾j-H I1 ' ■ ■ I ■ p ♦ > ■ IWnnnTLTLnfw源一样，其DC输出电压在90~270V的AC输入电压范围内保持不变在DCM下工作的PFC升压变换器相关电压和电流波形如图5所示，图6为AC 线路输入电压和电流波形事实上，工作于DCM的PFC升压变换器开关频率不是固定的。

在AC输入电压 从0增大的峰值时，开关频率逐渐降低在峰值AC电压附近，开关周期最大，而频率最低在连续模式(CCM)下工作的PFC升压变换器采用固定频率高频PWM电流平均技 术这类变换器的开关占空比是变化的，但开关周期相同通过升压电感器和 PFC开关MOSFET的电流在AC线路电压的半周期之内(即0