功率因数校正原理及相关IC

1概述

近年来，随着电子技术的发展，对各种办公自动化设备，家用电器，计算机的需求逐年增加。这些设备的内部，都需要一个将市电转换为直流的电源部分。在这个转换过程中，会产生大量的谐波电流，使电力系统遭受污染。作为限制标准，IEC发布了IEC1000?3?2；欧美日各国也颁布实施了各自的标准。为此谐波电流的抑制及功率因数校正是电源设计者的一个重要的课题。

2高次谐波及功率因数校正

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=(1)

式中：I1，I2，…In，分别表示输入电流的基波分量与各次谐波分量。

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(TotalHarmonicDistortion)：THD=(2)

用来衡量电网的污染程度。脉冲状电流使正弦电压波形发生畸变，见图3的波峰处。它对自身及同一系统的其它电子设备产生恶劣的影响，如：

——引起电子设备的误操作，如空调停止工作等；

——引起电话网噪音；

——引起照明设备的障碍，如荧光灯闪灭；

——造成变电站的电容，扼流圈的过热、烧损。

功率因数定义为PF=有效功率/视在功率,是指被有效利用的功率的百分比。没有被利用的无效功率则在电网与电源设备之间往返流动，不仅增加线路损耗，而且成为污染源。

设电容输入型电路的输入电压e为：

e(t)=Em·sinω0t(3)

图1电容输入型电路

图2电容输入型电路的输入电流,5A/DIV

图3输入电压波形发生畸变

入电流i为：i(t)=Imk·sin(kω0t)(4)

则有效功率Pac为：

Pac=e(t)·i(t)dt=Em·Im1/2=E·I1而视在功率Pap为：

Pap=E·I因此：

PF=Pac/Pap=I1/I=(5)

电流波形为图2的电源功率因数只有62.4％。由式(2)、(5)可见功率因数与总谐波畸变THD的关系为:PF=1/(6)

从式(2)、式(5)可见，抑制谐波分量即可达到减小THD，提高功率因数的目的。因此可以说谐波的抑制电路即功率因数校正电路(实际上有所区别)。

3功率因数校正的实现方法

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使无限接近正弦波,即可实现功率因数校正。

有很多的电路方式可以实现这一目的，比如说在电路中加入一个大电感（见图4），使整流管的导通角变大。这种方法虽然简单，价格低，但存在体积大，重量大，且效果不好(PF小于80％)等缺点。

下面以东芝公司的功率因数校正控制ICTA8310F为例，介绍一种有源功率因数校正方法。电路原理图见图5。

3．1主电路

由一个全桥整流器和升压型BOOST变换器构成，虽然其它的变换器BUCK,FLYBACK等也可以实现这一功能，但是由于BOOST变换器具有输出电容小断电保持时间长，可实现WorldWild电压输入，及输入电流连续EMI小等诸多优点，大部分功率因数校正都采用它来作为主电路。

Vout=Vin/（1－D）（7）

式中：Vin为输入电压的有效值；

D为开关管FET的占空比。

主电路参数为：输入178～264Va.c.；

输出380Vd.c.；

最大输出功率608W。

3．2PFC控制电路

为图5的虚线框中部分，主要包含一个乘法器MPX，电流误差放大器EI及PWM比较器。三者协调工作，将系统的输入电流校正为正弦波，实现谐波的抑制。原理如下:

（1）乘法器MPX包含2个输入，一个是通过电阻Ra检测输入电压，作为基准的正弦波信号。只要做到使输入电流波形与此一致，即可达到目的。乘法器的另一个输入是电压误差放大器EV的输出端，作为输出稳压的控制信号，见下述（3）。乘法器为电流输入型，不易受噪音干扰；

图4扼流圈输入型电路

图5有源功率因数校正电路原理图（原图，未做格式处理）

图6电感线圈L的电流波形示意图

图7功率因数改善后的输入电流波形,2A/DIV

（2）乘法器的输出电流信号为基准正弦波电流与电压误差放大器EV输出的积，它通过电阻Rb，产生一个信号电压。该信号电压与由电阻Rc检测到的主电路电流的信号电压之差输入到电流误差放大器EI，而EI与PWM比较器，驱动器DRIVER，主电路及Ra形成一个闭环控制。使两者的差无限接近于零。也就是说电阻Rb上的信号电压与电阻Rc上的信号电压相同，以达到电源的输入电流波形无限接近于基准正弦波的目的。

为了更容易理解，可放大示波器X轴量程，观察输入电流IL的波形，如图6所示，通过PWM控制，改变开关的占空比，来实现对输入电流的校正；

（3）一个PFC里面有2个闭环控制回路，其一就是上述的（1）、（2），我们称之为电流控制环。它实现功率因数校正。其二是由电压误差放大器EV，乘法器MPX，EI，PWM比较器，DRIVER，主电路及Ra构成的电压控制环，它使输出电压稳定在380Vd.c.。

主要设计参数有:开关频率f=95kHz；

功率因数PF=99.2％；

效率η=95.4％。

EMC:符合VCCI?A,FCC?A,VDE?A,DOC?A,及EN55022。

实现功率因数校正后的电源，其输入电流的波形，见图7。功率因数达到99.2％，THD只有0.127。与图2比较，电流波形已得到明显的校正。

3．3设计时的注意事项

扼流线圈的选取会影响到输出纹波电流的大小，及其它电路设计参数。应保证它有足够大的饱和电流，而其值L为：L=·Vmin2/（2··Pout·f）(8)

式中：Vmin为最小输入电压的峰值；

Vout为输出电压；

ΔIL为扼流线圈上的纹波电流峰峰值；

IPmax为输入电流的峰值；

Pout为输出功率；

f为电源开关频率。

用来检测电流的主电路上的Rc应当选用额定功率大的电阻，且阻值应尽量小，一般在几十mΩ级。

IC的2脚，4脚间及12脚，13脚间接入RC相位补偿网络，合适的选值可以使系统更稳定，并可减小输出电压纹波。

4结语

作为限制谐波电流的对策而导入的功率因数校正，对其小型化，高效率，低价格，噪音小的要求将会越来越苛刻，特别是对其低噪音化在国外已经成为一个重要的课题，利用谐振技术的PFC控制IC也已经得到了开发和应用，如UNITRODE公司的UC3852等。改善和创新永无止境。