开关电源功率因数校正电路设计与应用实例之：概述

第一章概述：

功率因数定义及谐波电源设计一直是一个极富挑战性的工作，随着许多传统的难题得以解决，一些有关电源效率的规范和要求的标准将再次展现新的挑战。规范标准的第一个阶段其实已经开始，针对降低待机能耗(低负载状态)方面。下一个阶段的任务将更艰巨，就是提高工作状态下电源的效率。在美国国家环保局“能源之星”计划以及中国中标认证中心(CECP)的推动下，世界各地正在公布有关电源工作效率的新能效标准。这些更有挑战性的标准将需要电源厂商及其供应商(包括半导体供应商)共同努力，提供能符合这些新要求的解决方案。

在这些趋势中，(ICE1000-3-2)标准对功率因数校正(PFC)或降低谐波电流提出强制要求，为此，近年来在电源结构方面发生了较大的变化。随着所有设备的功率不断增大，及降低谐波电流的标准不断普及，越来越多的电源设计已经采用PFC。设计人员因此面临这样一个难题，既要在产品中采用合适的PFC，也要满足降低待机能耗、提高工作效率和EMI限制等高效指标。

功率因数校正解决方案的选择范围包括无源电路到各种有源电路，因应用的功率水平和其他参数的不同，解决方案也会有所不同。近年来随着分立半导体元件的发展和更低价格的控制IC上市，进一步拓宽了有源PFC，解决方案的适用范围。在评估PFC，解决方案时，重要的是要把整个系统的实施成本和性能结合起来进行综合评估

(1) 提高功率因数的意义

1) 提高功率因数是节能的要求

功率因数的大小意味着在视在功率相同的情况下，所能提供给负载有功率的大小。若将功率因数从0.65.提高到0.90，则容量为1000kV；A的发电机可带动功率为10kV；A。A的电动机的台数从65台增加到90台。可见，提高因数能更充分地利用发电机设备的容量。功率因数小，不仅浪费能源，而且使线路上的电流增加，损耗增大，同时还存在火灾隐患。

2）提高因数是提高电能质量，保证电力系统安全稳定运行的要求

近年来，电流波形失真已经继相移因数成为第二个导致功率因数低的主要原因。大量高次谐波电流涌入各级电网，引起公用电网的电压波形发生失真、三相电压不对称及电压的波动和闪变，严重威胁电网和各种用电设备的安全经济运行。

3）提高功率因数是各国限制电网谐波标准的要求

我国及国外许多国家均制定、颁发了控制和限制电力系统谐波的标准，其目的主要是为了控制电网中电压和电流波形失真在允许范围内，保护用电设备的安全运行，减少电网污染对通信系统造成的干扰。

功率因数校正电路对离线电源的输入电流波形进行整形，以使从电源吸取的有功功率最大化。在理想情况下，电器应该表现为一个纯电阻负载，此时电器吸收的反射功率为零。在这种情况下，本质上不存在输入电流谐波。电流是输入电压(通常是一个正弦波)的完美复制品，而且与其同相。在这种情况下，对于进行所需工作所要求的有功功率而言，从电网电源吸收的电流最小，而且还减小了与配电发电以及相关过程中的基本设备有关的损耗和成本。由于没有谐波，也减小了与使用相同电源供电的其他器件之间的干扰。当今众多电源采用PFC，的另一个原因，是为了符合规范要求。

现在，欧洲的电气设备必须符合欧洲规范EN61000.3.2。这一要求适用于大多数输入功率为75W或以上的电器，而且它规定了包括高达39次谐波在内的工频谐波的最大幅度。虽然美国还没有提出此类要求，但是希望在全球销售产品的电源制造商正在设计符合这一要求的产品。

(2)功率因数的定义

根据电工学的基本理论，功率因数(PE)可简单地定义为有功功率(P)与视在功率(S)的比值，用公式表示为:

式中为输入电流基波有效值为电网电流有效值，其中为各次谐波有效值；U1为输入电压基波有效值为输入电流畸变因数，；为基波电压与基波电流之间的相移因数。

在式(1-1)中，有功功率是一个周期内电流和电压瞬时值乘积的平均值，而视在功率是电流的RMS值与电压的RMS值的乘积。如果电流和电压是正弦波而且同相，则功率因数是1.0。如果两者是正弦波但是不同相，则功率因数是相位角的余弦。在电工基础课程中，功率因数往往就是如此定义，但是它仅适用于特定情况，即电流和电压都是纯正弦波。这种情况发生在负载由电阻、电容和电感元件组成，而且均为线性(不随电流和电压变化)的条件下。

所以功率因数可以定义为输入电流失真系数()与相移因数()的乘积。可见，功率因数由输入电流畸变因数和基波电压、基波电流和位移因数决定。

尽管电流波形有严重失真，电流和电压仍可以完全同相。应用”相位角余弦”的定义会得出电源的功率因数为1.0的错误结论。

低，则设备的无功功率大，设备利用率低，导线、变压器绕组损耗大；低，表示设备输入电流谐波分量大，将造成电流波形畸变，对电网造成污染，使功率因数降低，严重时，会造成电子设备损坏。通常的无源电容滤波二极管整流电路的输入端功率因数只能达到0.65左右。

从式(1:1)可见，抑制谐波分量即可达到减小，提高功率因数的目的。因此可以定性的说谐波的抑制电路即功率因数校正电路(实际上有所区别)。

因为输入电路的原因，开关模式电源对于电网电源表现为非线性阻抗。输入电路通常由半波或全波整流器及其后面的储能电容器组成，该电容器能够将电压维持在接近于输入正弦波峰值电压值处，直至下一个峰值到来时对电容再进行充电。在这种情况下，只在输入波形的各峰值处从输入端吸收电流，而且电流脉冲必须包含足够的能量，以便在下一个峰值到来之前能维持负载电压。这一过程通过在短时间内将大量电荷注入电容，然后由电容器缓慢地向负载放电来实现，之后再重复这一周期。电流脉冲为周期的10%-20%是十分常见的，这意味着脉冲电流应为平均电流的5-10倍。