開關(guān)電源功率因數(shù)校正電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例之：概述（二）

(6) 開關(guān)電源的功率因數(shù)

開關(guān)電源以其效率高、功率密度高而在電源領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位，開關(guān)電源多數(shù)是通過整流器與電力網(wǎng)相接的，經(jīng)典的整流器是由二極管或晶閘管組成的一個(gè)非線性電路，在電網(wǎng)中會(huì)產(chǎn)生大量的電流諧波和無功功率而污染電網(wǎng)，成為電力公害。傳統(tǒng)的開關(guān)電源存在一個(gè)致命的弱點(diǎn)，即功率因數(shù)較低，一般僅為0.45～0.75，而且其無功分量基本上為高次諧波，其中三次諧波的幅度約為基波幅度的95%，五次諧波的幅度約為基波幅度的70%，七次諧波的幅度約為基波幅度的45%，九次諧波的幅度約為基波幅度25%。

開關(guān)電源已成為電網(wǎng)最主要的諧波源之一，針對(duì)高次諧波的危害，從”//)年起國際上開始以立法的形式限制高次諧波，傳統(tǒng)的開關(guān)電源在此限制之列。我國國家技術(shù)監(jiān)督局在1993年頒布了國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》。國際電工委員會(huì)(International Electrotechnical Commission IEC)于1998年對(duì)諧波標(biāo)準(zhǔn)IEC5552進(jìn)行了修正，另外還制定了IEC61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)，其A類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電網(wǎng)諧波的要求見表1-3。傳統(tǒng)整流器因諧波遠(yuǎn)遠(yuǎn)超標(biāo)而面臨前所未有的挑戰(zhàn)。

抑制開關(guān)電源產(chǎn)生諧波的方法主要有兩種：一是被動(dòng)法，即采用無源濾波或有源濾波電路來旁路或?yàn)V除諧波;二是主動(dòng)法，即設(shè)計(jì)新一代高性能整流器，它具有輸入電流為正弦波、諧波含量低、功率因數(shù)高等特點(diǎn)，即具有功率因數(shù)校正功能。國外改善開關(guān)電源功率因數(shù)的研發(fā)工作的重點(diǎn)，主要是在功率因數(shù)校正電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和功率因數(shù)校正控制IC(如UC3842～UC3855A系列,KA7524,TDA4814)的開發(fā)等領(lǐng)域展開研發(fā)工作。國內(nèi)一些廠家也做了類似的工作，采用功率因數(shù)校正電路的開關(guān)電源，其功率因數(shù)可達(dá)到0.95～0.99近似于1。近年來功率因數(shù)校正電路得到了很大的發(fā)展，為電力電子學(xué)研究的重要方向之一。

常規(guī)開關(guān)電源的功率因數(shù)低的根源是整流電路后的濾波電容使輸出電壓平滑，但卻使輸入電流變?yōu)榧饷}沖，如圖1-6所示，而整流電路后面不加濾波電路，僅為電阻性負(fù)載時(shí)，輸入電流即為正弦波，并且與電源電壓同相位，功率因數(shù)為1。

于是功率因數(shù)校正電路的基本思想是將整流器與濾波電容隔開，使整流電路由電容性負(fù)載變?yōu)殡娮栊载?fù)載。在功率因數(shù)校正電路中，其隔離型電路如圖1-7所示。但這種電路結(jié)構(gòu)不能實(shí)現(xiàn)輸入與輸出的電隔離。

圖1-6 常規(guī)開關(guān)電源輸入電壓與輸入電流波形

圖1-7 基本隔離型PFC電路

圖1-8 電容輸入的電路

新型低污染、高效率、低應(yīng)力、低輸出紋波開關(guān)電源主要包括EMI及浪涌吸收濾波電路，前級(jí)有源軟開關(guān)功率因數(shù)校正電路，相移諧振軟開關(guān)DC/DC變換電路及輸出紋波抑制電路等。

一般開關(guān)電源的輸入整流電路如圖1-8所示，市電經(jīng)整流后對(duì)電容充電，其輸入電流波形為不連續(xù)的脈沖，如圖1-9所示。這種電流除了基波分量外，還含有大量的諧波，其有效值I為：

式中

，分別表示輸入電流的基波分量與各次諧波分量。

諧波電流使電力系統(tǒng)的電壓波形發(fā)生畸變，將各次諧波有效值與基波有效值的比稱之為總諧波畸變(Total Harmonic Distortion，THD)其表達(dá)式為：

THD=