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

第一章概述：

功率因數(shù)定義及諧波電源設(shè)計(jì)一直是一個(gè)極富挑戰(zhàn)性的工作，隨著許多傳統(tǒng)的難題得以解決，一些有關(guān)電源效率的規(guī)范和要求的標(biāo)準(zhǔn)將再次展現(xiàn)新的挑戰(zhàn)。規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的第一個(gè)階段其實(shí)已經(jīng)開始，針對(duì)降低待機(jī)能耗(低負(fù)載狀態(tài))方面。下一個(gè)階段的任務(wù)將更艱巨，就是提高工作狀態(tài)下電源的效率。在美國國家環(huán)保局“能源之星”計(jì)劃以及中國中標(biāo)認(rèn)證中心(CECP)的推動(dòng)下，世界各地正在公布有關(guān)電源工作效率的新能效標(biāo)準(zhǔn)。這些更有挑戰(zhàn)性的標(biāo)準(zhǔn)將需要電源廠商及其供應(yīng)商(包括半導(dǎo)體供應(yīng)商)共同努力，提供能符合這些新要求的解決方案。

在這些趨勢(shì)中，(ICE1000-3-2)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)功率因數(shù)校正(PFC)或降低諧波電流提出強(qiáng)制要求，為此，近年來在電源結(jié)構(gòu)方面發(fā)生了較大的變化。隨著所有設(shè)備的功率不斷增大，及降低諧波電流的標(biāo)準(zhǔn)不斷普及，越來越多的電源設(shè)計(jì)已經(jīng)采用PFC。設(shè)計(jì)人員因此面臨這樣一個(gè)難題，既要在產(chǎn)品中采用合適的PFC，也要滿足降低待機(jī)能耗、提高工作效率和EMI限制等高效指標(biāo)。

功率因數(shù)校正解決方案的選擇范圍包括無源電路到各種有源電路，因應(yīng)用的功率水平和其他參數(shù)的不同，解決方案也會(huì)有所不同。近年來隨著分立半導(dǎo)體元件的發(fā)展和更低價(jià)格的控制IC上市，進(jìn)一步拓寬了有源PFC，解決方案的適用范圍。在評(píng)估PFC，解決方案時(shí)，重要的是要把整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)施成本和性能結(jié)合起來進(jìn)行綜合評(píng)估

(1) 提高功率因數(shù)的意義

1) 提高功率因數(shù)是節(jié)能的要求

功率因數(shù)的大小意味著在視在功率相同的情況下，所能提供給負(fù)載有功率的大小。若將功率因數(shù)從0.65.提高到0.90，則容量為1000kV；A的發(fā)電機(jī)可帶動(dòng)功率為10kV；A。A的電動(dòng)機(jī)的臺(tái)數(shù)從65臺(tái)增加到90臺(tái)?？梢姡岣咭驍?shù)能更充分地利用發(fā)電機(jī)設(shè)備的容量。功率因數(shù)小，不僅浪費(fèi)能源，而且使線路上的電流增加，損耗增大，同時(shí)還存在火災(zāi)隱患。

2）提高因數(shù)是提高電能質(zhì)量，保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求

近年來，電流波形失真已經(jīng)繼相移因數(shù)成為第二個(gè)導(dǎo)致功率因數(shù)低的主要原因。大量高次諧波電流涌入各級(jí)電網(wǎng)，引起公用電網(wǎng)的電壓波形發(fā)生失真、三相電壓不對(duì)稱及電壓的波動(dòng)和閃變，嚴(yán)重威脅電網(wǎng)和各種用電設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

3）提高功率因數(shù)是各國限制電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)的要求

我國及國外許多國家均制定、頒發(fā)了控制和限制電力系統(tǒng)諧波的標(biāo)準(zhǔn)，其目的主要是為了控制電網(wǎng)中電壓和電流波形失真在允許范圍內(nèi)，保護(hù)用電設(shè)備的安全運(yùn)行，減少電網(wǎng)污染對(duì)通信系統(tǒng)造成的干擾。

功率因數(shù)校正電路對(duì)離線電源的輸入電流波形進(jìn)行整形，以使從電源吸取的有功功率最大化。在理想情況下，電器應(yīng)該表現(xiàn)為一個(gè)純電阻負(fù)載，此時(shí)電器吸收的反射功率為零。在這種情況下，本質(zhì)上不存在輸入電流諧波。電流是輸入電壓(通常是一個(gè)正弦波)的完美復(fù)制品，而且與其同相。在這種情況下，對(duì)于進(jìn)行所需工作所要求的有功功率而言，從電網(wǎng)電源吸收的電流最小，而且還減小了與配電發(fā)電以及相關(guān)過程中的基本設(shè)備有關(guān)的損耗和成本。由于沒有諧波，也減小了與使用相同電源供電的其他器件之間的干擾。當(dāng)今眾多電源采用PFC，的另一個(gè)原因，是為了符合規(guī)范要求。

現(xiàn)在，歐洲的電氣設(shè)備必須符合歐洲規(guī)范EN61000.3.2。這一要求適用于大多數(shù)輸入功率為75W或以上的電器，而且它規(guī)定了包括高達(dá)39次諧波在內(nèi)的工頻諧波的最大幅度。雖然美國還沒有提出此類要求，但是希望在全球銷售產(chǎn)品的電源制造商正在設(shè)計(jì)符合這一要求的產(chǎn)品。

(2)功率因數(shù)的定義

根據(jù)電工學(xué)的基本理論，功率因數(shù)(PE)可簡(jiǎn)單地定義為有功功率(P)與視在功率(S)的比值，用公式表示為:

式中為輸入電流基波有效值為電網(wǎng)電流有效值，其中為各次諧波有效值；U1為輸入電壓基波有效值為輸入電流畸變因數(shù)，；為基波電壓與基波電流之間的相移因數(shù)。

在式(1-1)中，有功功率是一個(gè)周期內(nèi)電流和電壓瞬時(shí)值乘積的平均值，而視在功率是電流的RMS值與電壓的RMS值的乘積。如果電流和電壓是正弦波而且同相，則功率因數(shù)是1.0。如果兩者是正弦波但是不同相，則功率因數(shù)是相位角的余弦。在電工基礎(chǔ)課程中，功率因數(shù)往往就是如此定義，但是它僅適用于特定情況，即電流和電壓都是純正弦波。這種情況發(fā)生在負(fù)載由電阻、電容和電感元件組成，而且均為線性(不隨電流和電壓變化)的條件下。

所以功率因數(shù)可以定義為輸入電流失真系數(shù)()與相移因數(shù)()的乘積?？梢?，功率因數(shù)由輸入電流畸變因數(shù)和基波電壓、基波電流和位移因數(shù)決定。

盡管電流波形有嚴(yán)重失真，電流和電壓仍可以完全同相。應(yīng)用”相位角余弦”的定義會(huì)得出電源的功率因數(shù)為1.0的錯(cuò)誤結(jié)論。

低，則設(shè)備的無功功率大，設(shè)備利用率低，導(dǎo)線、變壓器繞組損耗大；低，表示設(shè)備輸入電流諧波分量大，將造成電流波形畸變，對(duì)電網(wǎng)造成污染，使功率因數(shù)降低，嚴(yán)重時(shí)，會(huì)造成電子設(shè)備損壞。通常的無源電容濾波二極管整流電路的輸入端功率因數(shù)只能達(dá)到0.65左右。

從式(1:1)可見，抑制諧波分量即可達(dá)到減小，提高功率因數(shù)的目的。因此可以定性的說諧波的抑制電路即功率因數(shù)校正電路(實(shí)際上有所區(qū)別)。

因?yàn)檩斎腚娐返脑?，開關(guān)模式電源對(duì)于電網(wǎng)電源表現(xiàn)為非線性阻抗。輸入電路通常由半波或全波整流器及其后面的儲(chǔ)能電容器組成，該電容器能夠?qū)㈦妷壕S持在接近于輸入正弦波峰值電壓值處，直至下一個(gè)峰值到來時(shí)對(duì)電容再進(jìn)行充電。在這種情況下，只在輸入波形的各峰值處從輸入端吸收電流，而且電流脈沖必須包含足夠的能量，以便在下一個(gè)峰值到來之前能維持負(fù)載電壓。這一過程通過在短時(shí)間內(nèi)將大量電荷注入電容，然后由電容器緩慢地向負(fù)載放電來實(shí)現(xiàn)，之后再重復(fù)這一周期。電流脈沖為周期的10%-20%是十分常見的，這意味著脈沖電流應(yīng)為平均電流的5-10倍。