开关电源功率因素校正（PFC）及其工作原理

1 引言

开关电源以其效率高、功率密度高而在电源领域中占主导地位。但传统的开关电源存在一个致命的弱点，功率因数低，一般为0.45～0.75，而且其无功分量基本上为高次谐波，其中3次谐波幅度约为基波幅度的95%，5次谐波幅度约为基波幅度的70%，7次谐波幅度约为基波幅度的45%，9次谐波幅度约为基波幅度的25%。大量高次谐波电流倒灌回电网，对电网造成严重的污染。为此，IEC(国际电工委员会)制定了限制高次谐波的国际标准，最新标准为IEC1000-3-2D类。美国、日本、欧洲等发达国家已制定了相应标准，并强制执行，对于不满足谐波标准的开关电源不允许上电网。我国也制定了相应标准。因此，随着减小谐波标准的广泛应用，更多的电源设计需要结合功率因数校正(PFC)功能 [1]~[4]。

2 高次谐波和功率因数校正的关系

一般开关电源输入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。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：

式(1)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，将各次谐波有效值与基波有效值的比称为总谐波畸变THD(Total Harmonic Distortion)。

它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，它对自身及同一系统的其他电子设备产生恶劣的影响，如引起电子设备的误操作，引起电话网噪音，引起照明设备的障碍，造成变电站的电容、扼流圈的过热、烧损等。

功率因数定义PFC=有功功率/视在功率，是指被有效利用功率的百分比。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为：

输入电流为：

则有效功率Pac为：

则有效功率Pap为：

从式(2)、(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。

3 功率因数校正的实现方法

从不同的角度看，功率因数校正技术有不同分类方法。从电网供电方式可分为单相PFC电路和三相PFC电路;从采用的校正机理可分为无源功率因数校正(PPFC)和有源功率因数校正(Active Power Factor Correction，简称APFC)两种。

无源功率因数校正技术出现最早，通常由大容量的电感、电容组成。它只是针对电源的整体负载特性表现，在开关整流器的交流输入端加入电感量很大的低频电感，以减小滤波电容充电电流尖峰。由于加入的电感体积大，增加了开关整流器的体积，此方法虽然简单，但效果不很理想，适于应用到重量体积不受限制的小型设备。

有源功率因数校正是用一个转换器串入整流滤波电路与DC/DC转换器之间(基本原理如图1所示)，通过特殊的控制强迫输入电流跟随输入电压，反馈输出电压使之稳定，从而使DC/DC转换器的输入实现预稳。这种方法的特点是控制复杂，但体积大大减小，设计也易优化，从而进一步提高了性能。由于这个方案中应用了有源器件，故称为有源功率因数校正。

从原理图来看，APFC基本电路就是一种开关电源，但它与传统开关电源的区别在于：DC/DC变换之前没有滤波电容，电压是全波整流器输出的半波正弦脉动电压，这个正弦半波脉动直流电压和整流器的输出电流与输出的负载电压都受到实时的检测与监控，其控制的结果是达到全波整流器输入功率因数近似为1。

4 功率因数校正技术的分类

目前市场上使用较多的是单相高频开关电源，针对这种情况，我们对单相有源功率因数校正(APFC)作一简单分类。

一般主要有两种基本的APFC：一种是变换器工作在不连续导电模式的“电压跟随器”型;另一种是变换器工作在连续导电模式的“乘法器”型。另外，还有三电平PFC技术、单周期控制的PFC技术和不连续电容电压模式PFC技术等。还可以从采用的软开关技术的角度进一步对上述两种模式的APFC加以分类。

从软开关特性来划分，APFC电路可分为两类，一类是零电流开关(ZCS)PFC技术，另一类是零电压开关(ZVS)PFC技术。按软开关的具体实现方法还可进一步划分为：并联谐振型、串联谐振型、串并联谐振型以及准谐振型等软开关谐振APFC技术[5]。

从控制方法来分，APFC电路可以采用脉宽调制(PWM)、频率调制(FM)、数字控制、单环电压反馈控制、双环电流模式控制等多种控制方法。

单相有源功率因数校正按拓扑结构可分为两级模式和单级模式。

4.1两级有源功率因数校正

目前研究的两级PFC电路是由两级转换器组成：第一级是PFC转换器，目的在于提高输入的功率因数并抑制输入电流的高次谐波;第二级为DC/DC转换器，目的在于调节输出以便与负载匹配。具体实现方式很多，在通信用大功率开关整流器中，主要采用的方法是在主电路输入整流和功率转换电路之间串入一个校正的环节(Boost PFC电路)。典型的两级转换器的结构如图2所示。

由于两级分别有自己的控制环节，所以电路有良好的性能。它具有功率因数高、输入电流谐波含量低，以及可对DC/DC转换器进行优化设计等优点。但两级PFC电路也有两个主要缺点：一是由于有两套装置，增加了器件的数目和成本;二是能量经两次转换，电源的效率也会有所降低。因此，两级PFC电路一般应用于功率较大的电路中。对于小功率的场合，由于成本及体积的限制，一般采用单级功率因数校正电路。