功率因數(shù)較正(PFC)的幾個(gè)問題

1 問題的提出

目前220v市電輸入的開關(guān)電源，都是采用橋式整流后電容濾波的形式。如果是110V則一般用倍壓整流。其基本連接如圖1所示。由于Uc的存在，只有當(dāng)市電的峰值超過它時(shí)二極管D才會(huì)導(dǎo)通，給負(fù)載提供能量。其他時(shí)間段D都是截止的，見圖2。50Hz正弦波的半個(gè)周期是10mS，而這里D的導(dǎo)通時(shí)間只有（2~3）mS。故其峰值系數(shù)（峰值與其有效值之比）一般≥3，而正弦波形的峰值系數(shù)為1.414。

輸入電流形成50Hz的脈沖，其總諧波失真THD可達(dá)120%，即所有高次諧波（頻率為50Hz的n倍，n=2～∞），電流之和的均方根幅度超過了基波I1的幅度。功率因數(shù)由式（1）計(jì)算，式中Φ是電流和電壓之間的相位角差。而THD的計(jì)算式見式（2）。

總諧波失真THD當(dāng)然可以用頻譜儀測量各次諧波的幅度再用公式計(jì)算，但是這很麻煩。一般都是用失真度計(jì)測量，測量范圍一般可以從100%～0.01%。失真度計(jì)工作時(shí)是濾除基波，測量剩下的電壓幅度值再和基波相除就得到總諧波失真THD。

功率因數(shù)PF的測量一般采用電能質(zhì)量測試儀，比如杭州遠(yuǎn)方生產(chǎn)的PF9800 。這種儀器應(yīng)該是同時(shí)測量出COSΦ和THD，經(jīng)過運(yùn)算得出PF值。由于諧波電流非正弦波，需要用真有效值表來測量。如果儀器內(nèi)的真有效值表不到位，測出的PF值就會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。由于電流的峰點(diǎn)出現(xiàn)在電壓的峰值處，Φ≈0，所以COSφ≈1。

當(dāng)輸入電流沒有失真時(shí)THD=0，PF就是1，而THD＞0時(shí)PF＜1。通常市電經(jīng)橋式整流、電容濾波后的PF約為0.6～0.7。濾波電容和母線等效負(fù)載電阻的乘積越大，整流管的導(dǎo)通時(shí)間就越短，故其峰值系數(shù)就越高，THD越大，所以PF值越小。

2 危害

由于諧波電流的幅度超過了基波的幅度，而它不做功只會(huì)使導(dǎo)線發(fā)熱，消耗能量。

三相基波電流各相的相位差為120°，而諧波電流的相位很復(fù)雜，和基波電流合成后的電流彼此之間的相位會(huì)改變，三相的相位差不再是120°，造成三相不平衡。而不平衡的直接后果就是中線電流增加，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀變壓器。下面舉三個(gè)例子給予說明。

⑴ 輸入調(diào)壓器的異常。本人2000年以前開發(fā)的開關(guān)電源都不帶PFC，開關(guān)電源輸出的直流加1. 5kW負(fù)載（那時(shí)沒有真有效值表，無法確定其輸入VA）時(shí)，5kVA的調(diào)壓器就發(fā)出相當(dāng)大的噠噠聲（注意：不是嗡嗡聲），當(dāng)負(fù)載增加到2.5kW時(shí)，調(diào)壓器的震動(dòng)讓人無法忍受。而開關(guān)電源加入PFC后，加3kW的直流負(fù)載時(shí)，調(diào)壓器發(fā)出比較大的嗡嗡聲，完全不影響工作。

⑵ 500kVA的三相變壓器不能夠帶80kW的開關(guān)電源負(fù)載。浙江某廠在90年代開發(fā)出一種1kW開關(guān)電源，用戶要求80臺(tái)同時(shí)老化。雖然是按三相均分的，但總燒中線保險(xiǎn)絲，如果把保險(xiǎn)絲電流加大，變壓器發(fā)出異常聲音，并有燒毀的跡象。不得已放棄同時(shí)老化。

⑶ 浙江富陽某電鍍廠，購進(jìn)一臺(tái)12V/10kA的可控硅整流電源。開機(jī)時(shí)全廠所有電子系統(tǒng)全部失靈，專家指出只能加有源功率因數(shù)補(bǔ)償設(shè)備。但是，相應(yīng)的設(shè)備比這臺(tái)電源還要貴，難以承受。

3 怎么來修正輸入電流的波形

上面分析了危害的根源是輸入電流的非正弦化，原因是在有濾波電容時(shí)二極管的導(dǎo)通只在輸入電壓的峰點(diǎn)出現(xiàn)。如果二極管前的電壓能夠始終保持高于電容上的電壓，就能夠使二極管在整個(gè)半周期內(nèi)都導(dǎo)通?？梢杂靡粋€(gè)和橋式整流輸出相反的補(bǔ)償波形與其疊加，如圖3所示來實(shí)現(xiàn)。如果輸入電壓是220V有效值、輸出的直流電壓正好是輸入電壓的峰值311V時(shí), 這補(bǔ)償電壓UL的波谷可到零。一般為了在市電較高時(shí)PFC電路也能夠正常工作，取輸出直流電壓為380V～400V，這樣該補(bǔ)償波形在輸入電壓為交流220V時(shí)就帶有直流成分70V~90V。

具體電路見圖4，由電感L、開關(guān)K、升壓二極管D2構(gòu)成的Boost電路產(chǎn)生這個(gè)UL補(bǔ)償波形。

圖中的開關(guān)K是由整流后的饅頭波和輸出電壓二者共同控制，是相乘的關(guān)系，所以要用到乘法器M。在UC-3845中還加入了前饋電路，即控制開關(guān)的脈沖寬度反比于輸入電壓。所以，以上的乘積還要用除法器去除前饋電壓。這樣在輸入電壓大幅度變化時(shí)效果比較好。

相對于50kHz~100kHz的高頻開關(guān)頻率而言，100Hz饅頭波的一小段可以看做是固定不變的量，所以開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖有一個(gè)對應(yīng)的脈沖寬度，如圖5所示。饅頭波的波峰（正弦波的峰點(diǎn)）就是補(bǔ)償波形的波谷，此時(shí)對應(yīng)的高頻脈沖的寬度最窄；反之，饅頭波的波谷（正弦波過零點(diǎn)時(shí)）就是補(bǔ)償波形的波峰，對應(yīng)的脈沖寬度最寬。要注意的是：圖5是一個(gè)示意圖，上下的脈沖并非一一對應(yīng)的關(guān)系。補(bǔ)償電壓UL 波形的一小段，對應(yīng)下面的的驅(qū)動(dòng)脈沖可以同寬度的重復(fù)上千個(gè)，所以時(shí)間軸的單位不同。

簡單的DCM電路由于其電感電流跟隨輸入電壓變化，即其峰點(diǎn)的包絡(luò)線是和輸入電壓一致的，所以無需乘法器，開關(guān)器件只要受輸出電壓控制即可。

采用乘法器的PFC電路，其輸入電流跟隨輸入電壓的效果很好。用UC-3854芯片做的輸出kW級的PFC電路，其輸入電流和輸入電壓分別用雙蹤示波器的Y1、Y2顯示時(shí)，二者的波形基本上能夠重合，用失真儀實(shí)測其輸入電流的THD≤2%。按公式計(jì)算為PF＞0.999 。