单相有源功率因数校正电路仿真
单相有源功率因数校正电路仿真
摘要：传统的AC-DC 变换器的广泛应用对电网产生了大量的谐波污染。有源功率因数校正技术(APFC)是抑制谐波电流、提高功率因数的行之有效的办法。本文论述了单相功率因数校正APFC 的原理和方法，通过对Boost 型滞环控制的DC-DC 变换器采用Matlab 进行仿真，获得了最后校正的功率因数结果，说明这种PFC 方案的能获得良好的效果，适用于多种场合。 关键词：有源功率因数校正，Boost 电路，滞环控制
1 绪论
功率因数指的是有效功率与总耗电量（视在功率）之间的关系。功率因数可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因数值越大，代表其电能利用率越高。交换式电源供电器上的功率因数校正器的运作原理是通过控制调整交流电电流输入波形，使其与直流电电压波形尽可能一致，让功率因数趋近于1.折对于电力需求量达到某一个水平的电子设备而言是很重要的，否则，电力设备系统消耗的电能可能超出其规格，极可能干扰同系统的其他电子设备。
2 功率因数的定义和校正原理
根据电工学的基本理论功率因数（PF ）的定义：交流输入有功功率（P ）与视在功率（S ）的比值，用公式表示为：
1111cos cos cos rms rms
U I I P PF S U I I φ
φγφ=
=== (1) 式中：1U 表示输入基波电流有效值；cos φ表示基波电压与基波电流之间的位移因数；γ表示输入电流畸变因数；rms I 表示输入电流有效值。可见PF 由电流畸变因数γ和位移因数cos φ决定，cos φ小表示用电设备的功率大，在有功功率不变的情况下实在功率增加，线路总电流增大，线路传输压降也将增大，倒是电气设备容量增加，利用率低，导线、变压器绕组损耗大，严重影响电网的供电质量，变化快时甚至可以导致电网崩溃。输入电流即便因数γ值低，表示输入电流谐波分量大，将造成输入电流波形畸变，对电网造成污染，使用电设备产生机械振动、噪声、过电压，损坏电子设备。在实际的电能运用和传输中，最主要的危害是电流的畸变引起的谐波而污染电网，因此，可以说谐波的抑制电路即为功率因数校
正电路。
不良的功率因数主要发生在整流电路中，特别是开关整流电路。在整流电路中，AC/DC前端通常有桥式整流器和大容量滤波器组成，如图1(a)，其滤波电容的设置使输出电压平滑。但是，对电流来说，只有当线路的峰值电压大于滤波电容两端的电压时，整流元件中才有电流流过。这样就使电流呈现尖脉冲形式，如图1(b)，这种尖脉冲波中含有大量的高次谐波。
o
(a)(b)in
U
in
I
图1 常用整流桥结构与电力电压波形
3功率因数校正器拓扑及控制策略
功率因数校正电路的研究主要包括两方面的内容，一是电路拓扑结构的分析，二是控制策略的研究。
3.1 功率因数校正器典型电路结构
从原理上说，任何一种DC/DC变换器拓扑都可以作为PFC主电路。DC/DC变换器包括降压式(Buck)变换器、升压式(Boost)变换器、升降压(Buck-Boost)变换器、Cuk变换器、反激式(Flyback)变换器等。从电路拓扑结构上看，Buck电路和Boost 电路是最基本的两种变换器，其余变换器都是由这两种基本结构演化而来。
3.2 功率因数校正器控制策略
电力电子电路的六种基本拓扑结构都可以构成PFC，由于Boost电路优点独特，在实际应用中最为广泛。功率因数校正器的控制策略按输入电感电流是否连续，可分为电流连续导通模式(CCM)和电流不连续导通模式(DCM)，以及介入其中的电流临界模式(BCM)。有的电路还根据负载功率的大小使得变换器在DCM和CCM模式之间相互转换，成为混联模式(MCM)。
3.2.1 DCM 控制策略
DCM 控制又称为电压跟踪法，是功率因数校正控制中一种简单实用的方法，应用较为广泛。它不需要检测输入电压和输入电流，功率开关管就以一定的占空比使输入电流按正弦规律变化。概括起来，DCM 控制模式的特点有：
1) 控制电路简单，现有开关电源PWM 控制用集成电路均可作为电压跟随型
PFC 电路的控制器；
2) 输入电流自动跟踪输入电压相位，且具有较小的电流畸变率；
3) 功率开关管能实现零电流开通，且不许承受二极管的反向恢复电流； 4) 有较大输入输出电流纹波，要求高性能滤波电路；
5) 平均电流远低于峰值电流而导致期间需承受较大的应力；
6) 单相PFC 功率一般小于200W ，三相PFC 功率一般小于10Kw 。
(1) 恒频控制
图2为Boost 电路的DCM 控制原理图。恒频控制的功率开关管的频率保持恒定，工作原理是当输入电压的有效值与输出功率恒定时，通过电压环可以保证占空比恒定，从而使得输入电流峰值与输入电压成正比，达到输入电流波形自动跟随输入电压波形，实现功率校正的目的。
为了确保稳态时输出占空比在半个工频周期保持不变，E/A 取10-20Hz 。恒频控制时开关周期恒定，因此电感电流并不连续。如图2所示电感电流在一个周期内的平均值为：
()
2g on on don L s
U T T T I LT +=
(2)
式中：g U 为整流后的电压； on T 为功率开关管VS 的导通时间； don T 为二极管VD 的续流时间；
s T 为开关周期。
g
u
图2 Boost 电路DCM 控制原理图
若式(2)中二极管VD 的续流时间保持恒定，则DC/DC 变换器输入侧可效为一个阻性负载，从而使得整流器交流侧电压电流同相位。但实际上，在半个工频周期内电感电流下降时间爱你并不恒定，导致输入平均电流发生畸变，此控制方式具有控制电路简单，功率因数的理想值不能达到1的特点，若想输入电流畸变程度变小，则输出电压与输入电压峰值的比值就应增加。
(2) 变频控制
对于式(2)，假设s on off T T T =+，则输入平均电流即电感电流在一个周期内的平均值为：
2g on L U T I L
=
(3)
由式(3)可知，L I 只与功率开关管的导通时间有关，若保持导通时间恒定，则理论上可认为输入电流无畸变，这就是恒频控制的原理。此控制方式虽然占空比和开关周期均布恒定，但当输入电压的有效值与输出功率恒定时，功率开关管的导通时间可保持恒定，因而占空比也是变化的，从而使得输入电流具有大量的高频纹波分量，因而增加了EMI 滤波的设计难度。 3.2.2 CCM 控制策略
CCM 控制策略有直接电流控制和坚决诶电流控制之分。CCM 控制策略相对于DCM 控制策略来说，其优点是：
1) 输出和输入电流纹波小、滤波容易； 2) RMS 电流小，器件导通损耗小； 3) 适用于大功率场合。
(1) 直接电流控制
直接电流控制来源于DC/DC 变换器的电流控制模式。其工作原理是将输出电压误差信号与输入电压信号相乘，得到电流控制器的电流给定信号，电流控制器控制输入电流按此信号变化，从而实现输入电流与输入电压同相位。由于其控制结构中含有乘法器，因此也叫乘法控制器，是目前应用最多的控制方式之一。
直接电流控制以检测到的整流器输入电流作为其反馈和被控量，因而具有系统动态响应快、电流控制精度高、限流容易等优点。其缺点是需要宽频带的电流传感器来检测输入电流而导致成本过高。同时乘法器的非线性失真增加了输入电流的谐波含量。由于输入电流总带有一些开关频率文博的，因此必须据顶反馈哪
一个电流，根据控制结构中检测电流的不同，直接电流控制可分为峰值电流控制、平均电流控制、滞环电流控制三种控制方式。这三种方法的基本特点如表1所示。
表1 三种控制方式基本特点
控制方法 检测电流 开关频率 工作模式 使用拓扑 对噪声 备注 峰值电流 开关电流 恒定 CCM Boost 敏感 需斜坡补偿 滞环电流 电感电流 变频 CCM Boost 敏感 需逻辑控制 平均电流
电感电流
恒定
任意
任意
不敏感
需电流误差放大
(2) 间接电流控制
间接电流控制又称为幅值相位控制，是一种基于工频稳态的控制方法，其基本思想是通过控制整流器输入电压基波的相位和幅值来间接的控制输入电感电流。间接电流控制具有结构简单，开关机理清晰的优点，但也存在如下缺点： 1) 需外加过流保护电路来弥补自身无限流功能的缺陷； 2) 系统电流从一稳态到另一稳态过渡时会出现直流分量； 3) 系统动态响应慢。
4 有源功率校正电路的工作原理
有源功率因数校正（Active Power Factor Correction ，APFC ）电路，是指在传
统的不控整流中融入有源器件，使得交流侧电流在一定程度上正弦化，从而减少装置的非线性、改善功率因数的一种高频整流电路。
基本的单相APFC 电路在单相桥式不可控整流器和负载电阻之间增加了一个DC-DC 功率变换电路，通常采用Boost 电路。通过适当的控制Boost 电路中开关管的通断，将整流器的输入电流校正成为与电网电压同相位的正弦波，消除谐波和无功电流，将电网功率因数提高到近似为1。其电路原理图如图3所示。
i
u
D
o
图3 APFC 电路原理图
假定开关频率足够高，保证电感L 的电流连续；输出电容C 足够大，输出电
压o u 可认为是恒定直流电压。电网电压i u 为理想正弦，即sin i m u U t ω=，则不可控整流桥的输出电压d u 为正弦半波，m |||sin |d i u u U t ω==。
当开关管Q 导通时，d u 对电感充电，电感电流L i 增加，电容C 向负载放电；
当Q 关断，二极管D 导通时，电感两端电压L u 反向，d u 和L u 对电容充电，电感电流L i 减小。电感电流满足下式：
|sin |,|sin |,m k k on L
L m
o k on k s U t t t t t di L u U t u t t t t T dt ωω<<+?==?
-+<<+? (4)
通过控制Q 的通断，即调节占空比D ，可以控制电感电流L i 。若能控制L i 近
似为正弦半波电流，且与d u 同相位，则整流桥交流侧电流i i 也近似为正弦电流，且与电网电压i u 同相位，即可达到功率因数校正的目的。为此需要引入闭环控制。
控制器必须实现以下两个要求：一是实现输出直流电压o u 的调节，使其达到给定值，而是保证网侧电流正弦化，且功率因数为1。即在稳定输出电压o u 的情况下，使电感电流L i 与d u 波形相同。采用电压外环、电流内环的单相APFC 双闭环控制原理如图4所示。
i
u
D
*o
图4 APFC 控制框图
电压外环的任务是得到可以实现控制目标的电感电流指令值*
L i 。给定输出电
压*
o u 减去测量到的实际输出电压o u 的差值，经PI 调节器后输出电感电流的幅值指令*L I 。测量到的整流桥出口电压d u 除以其幅值m U 后，可以得到表示d u 波形的量'd u ，'d u 为幅值为1的正弦半波，相位与d u 相同。*L I 与'd u 相乘，便可以得到电
感电流的指令值*L i 。*L i 为与d u 同相位的正弦半波电流，其幅值可控制直流电压o
u 的大小。
电流内环的任务是通过控制开关管Q 的通断，使实际的电感电流L i 跟踪其指
令值*L i 。本文采用置换电流控制方法。根据电感电流的公式，当Q 导通时电感电流增大，而当Q 关断时电感电流减小。令*L i 减去L i ，若差值L i ?大于规定的上限
max L i ?，则令Q 导通，以增大L i ；若差值L i ?小于规定的下限min L i ?（min L i ?<0），则令Q 关断，以减小L i 。通过滞环控制，可以保证实际的电感电流L i 在其指令值
*L i 附近波动，波动的大小与滞环宽度有关，即与设定的max L i ?和min L i ?有关。
5单相有源功率因数校正电路仿真
5.1 建立仿真模型
在Matlab/Simulink 中建立采用Boost 电路的单相有源功率因数校正电路的仿真模型，如图4所示。
图5 APFC 仿真模型
图5的仿真模型中Mosfet 和Diode 模块来自SimPowerSystem\Power Electronics 模型库中。直流电压指令值为400V ，采用Simulink\Sources 模型库中的costant 实现。
“PID Controller ”模块在Simulink Extras\Additional Liner 模型库中，参数设置如图5所示。
滞环比较器采用Simulink\Discontinuities 模型库中的“Relay ”模块。滞环宽度设为[-1,1]，即Relay 中的Switch on point 为1，Switch off point 为-1。参数设置如图7所示。
+
-
S
i -
i -
图6 PID 模块参数设置
图7 Relay 模块参数设置
输入电压有效值为220V ，频率50Hz ；输出直流电压指令*
o u 为400V ；电感L
=6mH ；电容C =320uF ；负载电阻R =160Ω；
在二极管整流桥中，
15S R e =Ω，16S C e F =-，13on R e =-Ω，0on L =，0f V =；开关管Q 采用MOSFET ，0.001on R =Ω，0on L =，0.01d R =Ω， 0f V =，0c I =，
15s R e =Ω，inf s C =；Boost 电路中二极管参数，
0.001on R =Ω，0on L =，0.8V f V =，0c I =，500s R =Ω，2509s C e F =-。
5.2 仿真结果分析
利用powergui 将仿真设置为离散模型，S T =1e-6。将仿真参数的Start time 设
置为0，stop time 设置为0.5。其他为默认参数。启动仿真程序进行仿真。
直流电压波形如图8所示。直流电压的平均值为400.1V 。如图9所示，基本满足控制器实现输出直流电压o u 调节的要求。从图7中可以看出，直流侧电压值随时间波动，对其进行FFT 分析，如图10和图11所示，克制直流电压波动周期为0.01ms ，频率为工频的两倍。
图8 直流电压波形
图9 直流电压平均值
这是由单相电路的瞬时功率波动引起的。
记录d u 与L i 波形、i u 与i i 波形分别如图12和图13示，两图中的右上角图形皆为局部波形放大图。
从图12中可以看出电流和电压是同相位的，即功率因数基本为1。也可以从图10中Fourier 模块的相角得出电流与电压同相位。从图14稳态值的相角可以看出电流和电压基本同相位。这满足控制器实现网测电流正弦化，且功率因数为1的要求，从而达到了APFC 的目的。
交流侧THD 及基波功率的计算如图15。i i 的i THD =0.1379，P =1063，Q =-19.82。
00.10.20.30.40.50.6
time(s)
v o l t a g e (V )
Uo
图10 FFT分析参数设置对话框及分析结果
图11 FFT分析结果
time(s)
U (V ),i (A )
Ud,iL
图12 d u 与L i 波形
00.10.20.30.40.5
0.6
time(s)
U (V ),i (A )
ui,ii
图13 i u 与i i 波形
图14 电流、电压基波相角
图15 Discrete Active & Reactive Power模块测量值则由以下公式
0.9906
v===
(4)
1
cos0.9998
DPFφ
==== (5) 可计算出总的功率因数
1
cos0.99041
v
λφ
==≈ (6) 将滞环宽度改为[-0.5 0.5]后进行仿真。对比两种滞环宽度下的交流侧电流，经放大后可以看出电流纹波更小了。如图16所示。
图16 滞环宽度改变后
i
i波形
功率因数计算：
0.08199
i
THD=，P=1066，Q
=-22.15
6.08 6.085 6.09 6.095 6.1 6.105 6.11 6.115
x 104
0.9967
v=== (7)
1
cos0.9998
DPFφ
==== (8)
1
cos0.9965
v
λφ
== (9) 可见，滞环宽度为[-0.5 0.5]后，功率因数提高了，更接近于 1.这是因为
滞环宽度变小后，就意味着流过电感的电流在其指令值附近的波动的范围更小了，
这样就使谐波电流得到了抑制。
i
THD值变小，导致v值增大，从而使功率因数增大。功率因数的提高和交流侧的谐波减小，对于交流电网来说能使干扰变小。
()a()b
()c
()d
图17 滞环宽度为[-0.5 0.5]时的实验数据
5.3 对系统进行分析
Matlab提供了线性时不变系统仿真的图形工具LTI Viewer，用LTI Viewer可以方便的获得阶跃响应，脉冲响应，波特图和Nyquist图等，并可得到有关的系统性能指标，下面使用LTI Viewer绘制输入交流电压与输出直流电压之间的波特图，并求出系统的零极点。仿真结果如图18所示。
由图18可以看出，在低频段增益很小，意味着输入交流电压对输出直流电压影响很小。系统没有右半平面极点，系统稳定。
图18 系统零极点及波特图
6. 总结
论文介绍了功率因数校正的意义，并阐述了功率因数校正产生的主要原因，就在分析有源功率因数校正器基本原理的基础上，通过对比几种不同拓扑的PFC 变换器主电路和控制电路的优缺点，明确了本文所要研究的对象——滞环控制的Boost 型PFC 变换器。
本文对指环控制的Boost 型PFC 变换器进行了理论分析，并设计了滞环电流控制的电路模型，通过Matlab/Simulink 进行仿真，得出输入电流与电压基本同相位，电流畸变率小的实验结果。通过设置不同的置换带宽，可以得出，带宽越小，电流畸变率越小，THD 越小。通过对系统稳定性进行分析，得出输入交流电压与输出电压影响非常小，输出电压由输入控制系统的电压指令控制。
参考文献
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大学,2007.
Bode Diagram
Frequency (rad/sec)
P ole-Zero Map
Real Axis I m a g i n a r y A x i s
10
10
10
10
-270
-180-900P h a s e (d e g
)-835
-830-825From: U 220V 50Hz To: U V oltage Measurement1
M a g n i t u d e (d B
)
-18
-16-14-12-10-8-6-4-20
2
x 10
6
-1-0.500.51
2 kW有源功率因数校正电路设计
2 kW 有源功率因数校正电路设计 概述：有源功率因数校正可减少用电设备对电网的谐波污染，提高电器 设备输入端的功率因数。详细分析有源功率因数校正APFC(active power factor corrector)原理，采用平均电流控制模式控制原理，设计一种2 kW 有源功率因数校正电路。实验结果表明：以TDA16888 为核心的有源功率因数校 正器能在90～270 V 的宽电压输入范围内得到稳定的380 V 直流电压输出，功率因数达O．99，系统性能优越。 1 引言 目前家用电器的功率前级多采用二极管全桥整流方式，这会造成电网谐波 污染，功率因数下降，无功分量主要为高次谐波，其中三次谐波幅度约为基 波幅度的95％，五次谐波幅度约为基波幅度的70％．七次谐波幅度约为基波幅度的45％。高次谐波会对电网造成危害，使用电设备的输入端功率因数 下降，而且产生很强的电磁干扰(EMI)，对电网和其他用电设备的安全运行造 成潜在危害。 有源功率因数校正电路(Active Power Factor Corrector，APFC)可将电源的输入电流变换为与输入市电同相位的正弦波，从而提高电器设备的功率因数， 减少对电网的谐波污染。理论上，降压式(Buck)、升压式(Boost)、升／降压式(Boost-Buck)以及反激式(Flyback)等变换器拓扑都可作为APFC 的主电路。其中，Boost APFC 是简单电流型控制，功率因数值高，总谐波失真小，效率高，但输出电压高于输入电压，适用于75～2 000 W 功率电源，应用广泛。因为升压式APFC 的电感电流连续，储能电感可作为滤波器抑制射频干扰(RFI)和EMI 噪声，并防止电网对主电路的高频瞬态冲击．电路有升压斩波电路，输出电压大于输入电压峰值，电源允许的输入电压范围扩大，通常可达
单相功率因数校正的仿真研究.
学号14051400645 毕业设计（论文） 题目：单相功率因数校正电路的仿真研究 作者王任届别2009届 系别机械与电气工程系专业自动化 指导教师荣军职称讲师 完成时间2009年5月21日
摘要 现代开关电源技术所面临的最重要课题之一就是功率因数校正(Power Factor Correction,PFC)。在各种单相PFC电路拓扑结构中，Boost升压型功率因数校正电路由于具有主电路结构简单，变换效率高，控制策略易实现等优点而得到广泛应用。本文叙述了有源功率因数校正(APFC)的原理和方法，对硬开关和软开关主电路的主要元器件参数进行设计，并在软件环境下搭建了功率因数校正电路Boost变换器与Boost-ZVT变换器的仿真模型，分别对输入电压与输入电流、开关管驱动波形、输出电压与输出电流进行仿真，并对仿真结果进行分析和比较，指出了它们各自的优点与缺点。 关键词：开关电源；功率因数校正；OrCAD/PSpice仿真
ABSTRACT One of the most important issue in modern switching power technology is the Power Factor Correction(PFC). Among a variety of single-phase PFC circuit, Boost boost power factor correction has been widely used as a result of the simplicity of the main circuit structure, high conversion efficiency and easy control strategy achievement. This paper considers the principle and method of the Active Power Factor Correction(APFC) and designs the parameters of main circuit components of hard switching and soft switching. Meanwhile, it establishs the PFC Boost converter circuit and the Boost-ZVT converter simulation model by utilizing software. Moreover, it simulates the waveform of input voltage and current together with the drive waveform of the switch tube and the waveform of output voltage and output current respectively. At last, it analyzes the simulation results, then makes a comparison, pointing out their advantages and disadvantages respectively. Key words: Switching Power; PFC; OrCAD/PSpice simulation
有源功率因数校正原理要点
有源功率因数校正PFC 电路主要有升压型、降压型、升压－－降压型和回扫型等 基本电路形式，其中升压型有源PFC 电路在一定输出功率下可减小输出电流，减小输 出滤波电容的容值和体积，故在电子镇流器中广泛应用。升压型有源PFC 电路在控制方法上，有电感电流断续传导模式和峰值电流控制模式。其电路原理图如图2所示。 电路工作原理如下：Q1导通时，D5截止，电容C1向负载放电；Q1截止，电感L1储能经D5对电容C1充电。由于Q1和D5交替导通，使整流器输出电流经电感L1连续。这样输入电流也连续。图中，R1取样输入电压，保证通过电感L1的电流跟随输入电压按正弦规律变化，通过L1的高频电流包络正比于输入电压，其平均电流呈正弦波形，使输入电流呈正弦波；R2取样输出电压，控制APFC 控制器的输出 占空比，稳定输出电压。 目前，APFC 专用芯片很多，在电子镇流器中应用广泛，具体电路不做详细介绍，可参阅参考文献。 4 利用自振荡半桥PWM 驱动器设计的APFC 电路 在某些自振荡半桥PWM 驱动器电路中，可以利用PWM 驱动器输出固定频率的 脉冲来作APFC 控制，这里介绍两种典型电路。 4．1利用自振荡输出波形控制的APFC 电路 电路原理图如图3所示。
升压电感L1、二极管D5、电容C2和开关管Q3等组成APFC 电路。由于PWM 驱动器U1输出脉冲的频率和占空比都是固定的，Q3导通时，D5截止，C2向负载放电；Q3截止时，电感L1产生的突变电势使D5正向偏置而导通，电感 L1通过D5向C2和负载释放储能，此时整流二极管电流经电感L1连续，使输入电流波形连续，呈正弦波形，可将线路功率因数提高到0．95以上，使输入电流总谐波失真度（THD ）降低到10％以下。 4．2 利用自振荡PWM 驱动器的定时电路 图3利用自振荡PWM 驱动器输出波形控制的APFC 原理电路图图4利用自振荡PWM 驱动器的定时器设计的APFC 原理电路图和波形图设计的APFC 电路自振荡半桥PWM 驱动器的振荡器是一个类似555的定时振荡器，CT 端为锯齿波，可以用一电路产生同频、占空比可调的APFC 电路。其原理电路如图4所示。 自振荡PWM 驱动器的CT 端波形为锯齿波，送到比较器U2的正端；将直流输出 电压分压送到比较器U2的负端。当C 点的电压小于D 点时，E 点为高电平，Q4导通；当B 点为高电平时，F 点为高电平，Q3导通，电感L1储能，电容C2向后级供电。当C 点电压高于D 点时，E 点为低点平，不论F 点电平状态，Q4截止，Q3截止，电感L1经 D5向C2和后级释放储能。这样二极管电流经电感L1连续，各点相关波形如图4（B ）所示。从波形上可以看出F 点波形脉冲宽度小于A 或B ，而且可调，但小于50％；通过 调整R1、R2的分压比，可调整输出电压和输出功率，构成可调输出电路，这在开关电源和电子镇流器中有较广泛的应用。 5 利用TOPSwitch 开关构成的APFC 电路
由单相有源功率因数校正(APFC)组合成三相APFC的几种方法
由单相有源功率因数校正（APFC）组合成三相APFC的几种方法 中心议题：由单相APFC组合成三相APFC的几种方法 解决方案：由三个分别带隔离DC／DC变换的单相PFC并联组成由三个单相PFC在输出端直接并联组成两个单相PFC组成的三相PFC电路由矩阵式DC／DC变换器构成 功率因数校正(Power Factor CorrecTIon，简称PFC)技术，尤其是有源功率因数校正(Active Power FactorCorrection，简称APFC)技术可以有效的抑制谐波，单相APFC技术的研究比较成熟，已有不少商业化的专用控制芯片，如UC3854，IRll 50，LTl508，ML4819。与单相功率因数校正整流装置相比，三相PFC整流装置具有许多优点：(1)输入功率高，功率额定值可达几千瓦以上；(2)单相PFC整流装置输入功率是一个两倍于工频变化的量，但在三相平衡装置中，三相输入功率脉动部分的总和为零，输入功率是一恒定值，三相PFC整流装置输出功率的脉动周期仅为单相全波整流的三分之一，脉动系数低，因此可以使用容量较小的输出电容，从而可以实现更快的输出电压动态响应。三相APFC技术正成为众多学者研究的重点，但其实现有一定的困难，而且还未见成熟的专用控制芯片。若能将单相APFC电路简单整合成一个三相APFC电路，将能充分利用成熟的单相控制芯片，制作出满足要求的三相APFC装置。下面介绍几种由单相APFC组合成三相APFC的方法。1 由单相APFC组合成三相APFC的几种方法单相PFC组合成三相PFC的技术优势是：(1)无需研究新的拓扑和控制方式，可直接应用发展比较成熟的单相PFC拓扑，以及相应的单相PFC控制芯片和控制方法；(2)电路由多个单相PFC同时供电，如果某一相出现故障，其余两相仍能继续向负载供电，电路具有冗余特性； (3)由于单向模块的使用，因此需要更少的维护和维修，而且有利于产品的标准化；(4)与三相PFC相比，不需要高压器件等。下面将对由单相PFC实现三相PFC的几种方法分别进行介绍。1)由三个分别带隔离DC／DC变换的单相PFC并联组成的方法每个单相PFC后跟随一个隔离型DC／DC变换器，DC／DC变换器输出端并联起来，形成一个直流回路后向负载供电，。此类电路即可采用三相三线制接法，也可用三相四线制的接法，很灵活且很简单。而且此类电路都可设计成单级形式，从而减少功率等级且动态响应比较快。但该类电路由三个完全独立的单相PFC及DC／DC变换器组成，由于需3个外加隔离的DC／DC变换器，因此用的器件比较多，成本较高。 (1)单相PFC电路由全桥电路构成 图2电路的特点是DC／DC的开关控制比较简单，相对于其它电路更适合于大功率场合的应用。但是由于隔离变压器反射电压的影响，全桥电路相对于反激电路来说有更高的电流失真。 (2)单相PFC电路由Buck电路构成图3用三个单相Buck变换器组成的三相PFC示意图，图3所示Buck型电路的结构比较简单，同全桥电路相似，由于隔离变压器反射电压的影响，其相对于反激电路来说也有较大的电流失真，但其谐波仍可以限定在比较低水平，达到IEC—1000的要求。另外，其可实现的功率等级的大小不如全桥高，但比反激式电路要大。 (3)单相PFC电路由反激电路构成图4所示反激式电路有比较接近正弦的相电流，而且功率因数也更接近于单位功率因数。由于其本身的结构特点，所以不必以增加电压为代价即可达到隔离的作用。但相对于前两种电路其功率不容易做大。 (4)单相PFC电路由SEPIC电路构成在Boost变换中，传统的隔离在此种情况下的应用并不理
功率因数校正之基本原理
功率因数校正之基本原理 何谓工率因数？ 功率因数（power factor；pf）定义为实功（real power；P）对视在功率（apparent power；S）之比，或代表电压与电流波形所形成之相角之余弦，如图1。功率因数值可由0至1之间变化，可为电感性（延迟的、指标向上）或电容性（领先的、指标向下）。为了降低电感性之延迟，可增加电容，直到pf为1。当电压与电流波形为同相时，工率因数等于1（cos(0o)=1）。所有努力使工率因数等于1是为了使电路为纯电阻化（实功等于视在功率）。 ▲图1: 功率因数之三角关系。 实功（瓦特）可提供实际工作，此为能量转换元素（例如电能到马达转动rpm）。虚功（reactive power）乃为使实功完成实际工作所产生之磁场（损耗）。而视在功率可想成电力公司提供之总功率，如图1所示。此总功率经由电力线提供产生所需之实功。 当电压与电流皆为正弦波时，如前述定义之功率因数（简称为功因）为电压与电流波形之对应相角，但大部份之电源供应器之输入电流乃非正弦波。当电压为正弦波而电流为非正弦波时，则功因包括两个因素：1)相角位移因素，2)波形失真因素。等式1表示相角位移与波形失真因素之于功因的关系。 ----------------------------------------------------(1)
Irms(1)为电流之主成份，Irms电流之均方根值。因此功率因数校正线路是为了使电流失真最小，且使电流与电压同相。 当功因不等于1时，电流波形没有跟随电压波形，不但有功率损耗，且其产生之谐波透过电力线干扰到连接同一电力线之其它装置。功因越接近1，几乎所有功率皆包含于主频率，其谐波越接近零。 ■了解规范 EN61000-3-2对交流输入电流至第40次谐波规范。而其class D对适用设备之发射有严格之限制（图2）。其class A要求则较宽松（图3）。 ▲图2:电压与电流波形同相且PF=1(Class D)。
有源功率因数校正主电路拓扑结构综述
有源功率因数校正主电路拓扑结构综述 1引言 近20年来电力电子技术得到了飞速的发展，已广泛应用到电力、冶金、化工、煤炭、通讯、家电等领域。电力电子装置多数通过整流器与电力网接口，经典的整流器是由二极管或晶闸管组成的一个非线性电路，在电网中产生大量电流谐波和无功污染了电网，成为电力公害。电力电子装置已成为电网最主要的谐波源之一。20世纪90年代以来，世界上许多国家和国际组织都对电力电子产品的功率因数及谐波成分作了限制。为了使电力电子产品的功率因数及谐波成分满足上述的规定和标准，可在整流桥和滤波电容之间加一级用于功率因数校正的功率变换电路，使输入电流为正弦波，从而提高功率因数，这就是有源功率因数校正技术。有源功率因数校正（Active Power Factor Correction，简称APFC）技术由于变换器工作在高频开关状态，而具有体积小、重量轻、效率较高、输人电压范围宽、THD小和功率因数高等优点，因此在现代电力电子技术中得到了广泛的应用。 2 有源功率因数校正的基本原理 APFC又称为有源开关型补偿法，现今得到推广的APFC是DC/DC变换型电流整形方法，由于其主体为高频DC/DC变换器，所以也称为高频APFC。高频APFC的基本思想是：将输入交流电压进行全波整流，然后对全波直流电压进行DC/DC变换，通过适当控制，使输入电流平均值自动跟踪全波直流电压的基准，且保持输出电压稳定，从而实现恒压输出和单位功率因数。 图1有源功率因数校正原理框图 图1为这种电路的原理框图，其中，整流器为单相桥式不可控整流器，主电路 采用DC/DC变换电路，控制电路内部包含有一个电压误差放大器、一个电流误差 放大器、一个模拟乘法器和一个固定频率的PWM控制器。可以看出，调节器采用 了电压、电流双闭环控制方式，电流反馈网络的取样信号是升压变换器的电感电流， 电压反馈网络的取样信号是调节器的输出电压。现对这种电路的工作原理加以分 析： 单相220V、50HZ交流电经过桥式整流后得到100HZ的单相双半波正弦电压 信号，此电压波形作为PFC控制器的输入电流的参考波形，输入到乘法器，为了保证输出电压恒定，将输出电压通过电压反馈网络也引入乘法器，经过乘法器运算后，作为电流波形的参考值，并与实际取样的电流进行比较后，通过PWM控制器产生PWM驱动信号，控制升压变换器的输出电流和电压。由于采用了闭环控制，将升压变换器的实际电流通过反馈网络引入电流误差放大器，保证了升压变换器的电流能够准确跟踪经过乘法器运算所规定的电流值。假定PFC 的整个控制环节都是理想的，则输入电流波形就能够完全跟踪电压波形的变化，这样从电源输入端来看，电路的负载为纯粹的线性电阻，电路的功率因数等于1，实现了功率因数校正的功能。 有源功率因数校正按主电路的形式来分，可分为单相硬开关校正电路、单相软开关校正电路和三相校正电路。下面，对各自的工作原理加以分析，并指出其各自的优缺点。 3 单相硬开关有源校正主电路的分析 非隔离型单相硬开关有源功率因数校正电路主要有升压型（Boost）、降压型（Buck）、升降压型（Buck-Boost）等，下面，对这几种电路的工作原理分别加以分析。 3.1 Boost-PFC主电路 图2为升压型PFC主电路的原理图，这种电路的工作过程如下： 图2Boost 型PFC主电路原理图 当开关管Q导通时，电流IL流过电感线圈L，在电感线圈未饱和前，电流线性增加， 电能以磁能的形式储存在电感线圈中，此时，电容C放电为负载提供能量；当开关管Q 关断时，由于线圈中的磁能将改变线圈L两端的电压极性，以保持其电流IL不变。这样， 线圈L转化成的电压VL与电源VIN串联，以高于输出电压向电容和负载供电。这种电路 的优点是输入电流完全连续，并且在整个输入电压的正弦周期都可以调制，因此可获得很高的功率因数；电感电流即为输入电流，容易调节；开关管门极驱动信号地与输出共地，驱动简单；输入电流连续，开关管的电流峰值较小，对输入电压变化适应性强，适用于网压变化特别大的场合。其主要缺点为输出电压必须大于输入电压的最大值，所以输出电压比较高；不能利用开关管实现输出短路保护。 3.2 Buck-PFC主电路 图3为降压型主电路的原理图，这种电路的工作过程如下： 图3Buck型主电路原理图 当开关管Q导通时，电流IL流过电感线圈，在电感线圈未饱和前，电流IL线性增加； 当开关管Q关断时，由于线圈中的磁能将改变线圈两端的电压极性，以保持IL不变。由于变
PFC开关电源功率因数校正原理
ＰＦＣ开关电源功率因数校正原理 ＰＦＣ开关电源功率因数校正原理 一、什么是功率因数补偿，什么是功率因数校正： 功率因数的定义为有功功率与视在功率的比值． 功率因素补偿:这项技术主要是针对因具有感性负载的交流用电器具的电压和电流不同相(图1)而引起的供电效率低下,提出的改进方法(由于感性负载的电流滞后所加电压,电压和电流的相位不同,使供电线路的负担加重,导致供电线路效率下降,这就要求在感性用电器具上并联一个性质相反的电抗元件.用以调整该用电器具的电压、电流相位特性.例如:当时要求所使用的40W日光灯必须并联一个4.75μF的电容器).用电容器并联在感性负载的两端,利用电容上电流超前电压的特性,用以补偿电感上电流滞后电压的特性,使总的特性接近于阻性,从而改善效率低下的方法叫做功率因数补偿(交流电的功率因数可以用电源电压与负载电流两者相位角的余弦函数值cosφ表示)。 图1 在具有感性负载中供电线路中电压和电流的波形
常规开关电源功率因数低是由于开关电源都是在整流后,用一个大容量的滤波电容使输出电压平滑,因此负载特性呈现容性.这就造成了交流220V在整流后,由于滤波电容的充、放电作用,在其两端的直流电压上出现略呈锯齿波的纹波.滤波电容上电压的最小值远非为零,与其最大值(纹波峰值)相差并不多. 图2 全波整流电压和AC输入电流波形 因为根据整流二极管的单向导电性,只有在AC线路电压瞬时值高于滤波电容上的电压时,整流二极管才会因正向偏置而导通,而当AC输入电压瞬时值低于滤波电容上的电压时,整流二极管因反向偏置而截止.也就是说,在AC线路电压的每个半周期内,只是在其峰值附近,二极管才会导通.虽然AC输入电压仍大体保持正弦波波形,但AC输入电流却呈高幅值的尖峰脉冲,如图2所示.这种严重失真的电流波形含有大量的谐波成份,引起线路功率因数严重下降. 在正半个周期内(180o),整流二极管的导通角大大小于180o,甚至只有30o～70o.由于要保证负载功率的要求,在极窄的导通角期间,会产生极大的导通电流,使供电电路中的供电电流呈脉冲状态.它不仅降低了供电的效率,更为严重的是,它在供电线路容量不足或电路负载较大时,会产生严重的交流电压波形畸变(图3),并产生多次谐波,从而干扰了其它用电器具的正常工作(这就是电磁干扰－EMI和电磁兼容－EMC问题)。
有源功率因数校正
有源功率因数校正 编辑锁定 本词条由“科普中国”百科科学词条编写与应用工作项目审核。 有源功率因数校正是指通过有源电路（主动电路）让输入功率因数提高，控制开关器件让输入电流波形跟随输入电压波形，相对于无源功率因数校正电路（被动电路）通过加电感和电容要复杂一些，功率因数的改善要好些，但成本要高一些，可靠性也会降低。 中文名 有源功率因数校正 性质 技术 优点 功率因数的改善要好些 缺点 成本要高一些，可靠性也会降低 目录 1. 1校正电路分类 2. 2工作原理 有源功率因数校正校正电路分类 编辑 常用有源功率因数校正电路分为连续电流模式控制型与非连续电流模式控制型两类。其中，连续电流模式控制型主要有升压型（Boost）、降压型（Buck）、升降压型（Buck-Boost）之分；非连续电流模式控制型有正激型（Forward）、反激型（Fly back）之分。[1] 有源功率因数校正工作原理 编辑 升压型PFC电路 升压型PFC主电路如图所示，其工作过程如下：当开关管Q导通时，电流IL流过电感线圈L，在电感线圈未饱和前，电流线性增加，电能以磁能的形式储存在电感线圈中，此时，电容C放电为负载提供能量；当Q截止时，L两端产生自感电动势VL，以保持电流方向不变。这样，VL与电源VIN串联向电容和负载供电。
升压型PFC主电路 这种电路的优点是：（1）输入电流完全连续，并且在整个输人电压的正弦周期内都可以调制，因此可获得很高的功率因数；（2）电感电流即为输入电流，容易调节；（3）开关管栅极驱动信号地与输出共地，驱动简单；（4）输入电流连续，开关管的电流峰值较小，对输入电压变化适应性强，适用于电网电压变化特别大的场合。主要缺点是输出电压比较高，且不能利用开关管实现输出短路保护。 降压型PFC电路 降压型PFC电路如图所示，其工作过程如下：当开关管Q导通时，电流IL流过电感线圈，在电感线圈未饱和前，电流IL线性增加；当开关管Q关断时，L两端产生自感电动势，向电容和负载供电。由于变换器输出电压小于电源电压，故称为降压变换器。 降压型PFC主电路 （1）这种电路的主要优点是：开关管所受的最大电压为输人电压的最大值，因此开关管的电压应力较小；当后级短路时，可以利用开关管实现输出短路保护。 （2）该电路的主要缺点是：由于只有在输人电压高于输出电压时，该电路才能工作，所以在每个正弦周期中，该电路有一段因输人电压低而不能正常工作，输出电压较低，在相同功率等级时，后级DC/DC变换器电流应力较大；开关管门极驱动信号地与输出地不同，驱动较复杂，加之输人电流断续，功率因数不可能提高很多，因此很少被采用。 升降压型PFC电路 升降压型PFC电路如图所示，其工作过程如下：当开关管Q导通时，电流IIN流过电感线圈，L储能，此时电容C放电为负载提供能量；当Q断开时，IL有减小趋势，L中产生的自感电动势使二极管D正偏导通，L释放其储存的能量，向电容C和负载供电。 图3升压型PFC主电路 （1）该电路的优点是既可对输人电压升压又可以降压，因此在整个输入正弦周期都可以连续工作；该电路输出电压选择范围较大，可根据一级的不同要求设计；利用开关管可实现输出短路保护。
有源功率因数校正技术及控制方式分析_张浩
第25卷第3期上海电力学院学报V o l .25,N o .3 2009年6月 J o u r n a l o f S h a n g h a i U n i v e r s i t y o f E l e c t r i c P o w e r J u n e 2009 文章编号:1006-4729(2009)03-0201-07 有源功率因数校正技术及控制方式分析 收稿日期:2009-03-30 作者简介:张浩(1962-),男,博士,教授,博士生导师,江苏无锡人.主要研究方向为电力系统自动化,工业以太网, 现场总线,电力监测与管理,电力企业信息化等.E -m a i l :h z h a n g k @y a h o o .c o m .c n . 张 浩,许龙虎 (上海电力学院电力与自动化工程学院,上海 200090) 摘 要:电力电子设备谐波污染问题越来越严重,功率因数校正技术是解决该问题的最有效方法,而有源功率因数校正(A P F C )技术因其独特的优势成了该领域的研究重点.介绍了功率因数的定义和校正原理,并根据有源功率因数校正电路说明了A P F C 的工作原理,重点阐述了A P F C 技术的各种控制方法及其未来的发展趋势. 关键词:有源功率因数;校正技术;控制方式中图分类号:T P 217+.3 文献标识码:A A c t i v e P o w e r F a c t o r C o r r e c t i o n T e c h n o l o g y a n dC o n t r o l Me t h o d s A n a l y s i s Z H A N GH a o ,X UL o n g -h u (C o l l e g e o f E l e c t r i c P o w e r a n dA u t o m a t i o nE n g i n e e r i n g ,S h a n g h a i U n i v e r s i t y o f E l e c t r i c P o w e r ,S h a n g h a i 200090,C h i n a ) A b s t r a c t : T h eh a r m o n i c p o l l u t i o np r o b l e m o f p o w e r e l e c t r o n i cd e v i c e s b e c o m e s m o r ea n dm o r e s e r i o u s ,a n d p o w e r f a c t o r c o r r e c t i o n t e c h n o l o g y i s t h e m o s t e f f e c t i v e m e t h o d t o s o l v e t h i s p r o b l e ma n d t h e a c t i v e p o w e r f a c t o r c o r r e c t i o n(A P F C )t e c h n o l o g y h a s b e c o m e t h e r e s e a r c hf o c u s o w i n gt oi t s u n i q u e a d v a n t a g e s .T h ed e f i n i t i o na n dp r i n c i p l e s o f p o w e r f a c t o r c o r r e c t i o na r ei n t r o d u c e d ,t h e w o r k i n g p r i n c i p l e o f A P F Ct e c h n o l o g y i s s h o w e d a c c o r d i n g t o t h e A P F Cc i r c u i t .T h e d e v e l o p m e n t t r e n d a n d v a r i o u s c o n t r o l m e t h o d s o f A P F Ct e c h n o l o g y a r e m a i n l y a n a l y z e d .K e y w o r d s : a c t i v e p o w e r f a c t o r ;c o r r e c t i o n t e c h n o l o g y ;c o n t r o l m e t h o d s 随着我国经济的发展,各种换流设备的使用越来越多、容量越来越大,加上一些非线性用电设备接入电网,将其产生的谐波电流注入电网,使公用电网的电压波形发生畸变,造成电能质量下降,威胁电网和包括电容器在内的各种电气设备的安全经济运行.为了提高电网的供电质量,限制高次谐波污染,国内外电气组织先后制定了相关标准,我国国家技术监督局1993年颁布了G B /T 14549 -93电能质量公用电网谐波,国际电工委员会(I E C )1998年制定了I E C 61000-3-2标准 [1] .解 决电力电子设备谐波污染问题的方法有两种:一是对电网采用滤波补偿;二是对电力电子设备本 身进行改进,即进行功率因数校正.相对来说,功率因数校正能够更有效地消除整流装置的谐波,具有更广泛的前景,已经成为电力电子技术的一 个重要研究方向[2] .
功率因数校正(PFC)的几个小知识
1、什么是功率因数校正(PFC)? 功率因数指的是有效功率与总耗电量(视在功率)之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量(视在功率)的比值。基本上功率因数可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因数值越大，代表其电力利用率越高。开关电源供应器上的功率因数校正器的运作原理是去控制调整交流电电流输入的时间与波型，使其与直流电电压波型尽可能一致，让功率因数趋近于。这对于电力需求量大到某一个水准的电子设备而言是很重要的, 否则电力设备系统消耗的电力可能超出其规格，极可能干扰铜系统的其它电子设备。一般状况下, 电子设备没有功率因数校正(Power Factor Correction, PFC)时其PF值约只有0.5。 PFC的英文全称为“Power Factor Correction”，意思是“功率因数校正”，功率因数指的是有效功率与总耗电量(视在功率)之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量(视在功率)的比值。基本上功率因素可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因素值越大，代表其电力利用率越高。计算机开关电源是一种电容输入型电路，其电流和电压之间的相位差会造成交换功率的损失，此时便需要PFC电路提高功率因数。目前的PFC有两种，一种为被动式PFC（也称无源PFC）和主动式PFC（也称有源式PFC）。 PFC打个形象的比方：一个啤酒杯的容积是一定的，就好比是视在功率，可是你倒啤酒的时候很猛，就多了不少的泡沫，这就是无功功率，杯底的啤酒其实很少，这些就是有功功率。这时候酒杯的利用率就很低，相当于电源的功率因数就很小。PFC的加入就是要减少输入侧的无功功率，提高电网的利用率，对于普通的工业用电来讲是把电流的相位与电压的相位调整到一块了，对于开关电源来讲是把严重畸变了的交流侧输入电流变成正弦，另外还有降低低次谐波的功能，因为输入的电流是正弦了。 2、为什么我们需要PFC? 功率因素校正的好处包含: 1. 节省电费 2. 增加电力系统容量 3. 稳定电流 低功率因数即代表低的电力效能，越低的功率因数值代表越高比例的电力在配送网络中耗损，若较低的功率因数没有被校正提升，电力公司除了有效功率外，还要提供与工作非相关的虚功，这导致需要更大的发电机、转换机、输送工具、缆线及额外的配送系统等事实上可被省略的设施，以弥补损耗的不足。有PFC 功能的电子设备配可以帮助改善自身能源使用率，减少电费，PFC也是一种环保科技，可以有效减低造成电力污染之谐波，是对社会全体有益的功能。 PFC电源供应器是如何帮助节省能源? 藉由降低您的电力设备必须传输的电压-电流，以提供一台电源供应器至少所需的供电量。因为产生较少无用的谐波(只会替交流电运输系统增加不必要的负担)，让电力的消耗减少。 什么是谐波? 谐波是一种噪音形式，基本上是由复合的60个循环正弦波组合而成的频率所造成。他们通常发生在电源供应器及其它包括计算机在内等多种频率相关机器。谐波会扭曲基本的正弦波波型, 也会在同一系统的水线及接地线造成偏高的电流。[注: 美国的电源线,有3个pins,就是(Live,火线)-(Neutral,水线)-(Ground,地线)] 有哪些国家规定PFC为电子设备的标准配备? 2001年一月，欧盟正式对电子设备谐波有详细规范，规定凡输出在75W~600W范围间之电子设备产品，都必须通过谐波测试[Harmonics test(EN 61000-3-2)]，测量待测物对电力系统所产生的谐波干扰；中国大陆自2002年5月起，规范凡政府机关采购之电子设备，皆将功率因数校正(PFC)视为电子设备的标准配备功能；日本已着手研拟关于节约电力的各项方案，这是一种未来的趋势，相信在不久的将来，其它国家将陆续跟进。 什么是主动式/被动式功率因数校正(Active/Passive PFC)? 被动式PFC，使用由电感、电容等组合而成的电路来降低谐波电流，其输入电流为低频的50Hz到60Hz，因
有源功率因数校正电路中铁氧体磁心电感器的设计
有源功率因数校正电路中铁氧体磁心电感器的设计 APFC Ferrite Core Inductor Design 1．概述 当交流电源经全波整流和大电容滤波后，将平直的直流电压直接施加于各类变换器及其负载上时，虽然输入电压的波形是正弦波，但输入电流的波形却是窄脉冲，因而使线路的电流含有大量的谐波分量，并使变换器的功率因数大为降低。 大量使用这样的电源设备，将会产生诸多不良的后果，大量的谐波电流对电网造成严重的电磁干扰和谐波污染，影响其它电器设备的正常运行，引起线路故障，甚至使输配电设备损坏；低功率因数使发电和输配电设备（包括输电线）的建造成本和运行成本增加、效率降低。 有鉴于此，欧盟、中国、美国和日本先后制定了电源设备功率因数的标准，功率因数指标正在成为一项全球性的强制规定，而且不再只限于大功率电源设备，更新的标准被运用到仅75W的电源设备和26W的照明设备等电子产品中。 为了使开关电源的功率因数达到有关标准所规定的指标，通常要在全波整流器和滤波电容器之间加入一个有源功率因数校正电路（APFC）其原理图如图1所示。 图1 功率因数校正电路原理图 由图1可知，功率因数校正电路其实就是一个由电感器(L)、开关管(Q)、整流管(D)、输出滤波电容器( C)和控制器(IC)所组成的升压(Boost)变换器，与一 O 般DC/DC升压变换器不同的是，其输入电压不是平稳的直流电压，而是正弦脉动电压( U)很小。 in 功率因数校正电路的作用，是凭借控制IC依据电压和电流的检测量，经模拟运算而产生的高频驱动脉冲，来控制开关管的导通与关断，从而控制流经电感器的电流，迫使交流电源输入电流的波形及相位均与输入电压的波形和相位趋于一致，使功率因数得到很大的改善(cosφ≈1.0)。当然，输入电流各次谐波的幅值和总谐波失真(THD)亦随之显着降低。 功率因数校正电路因所选用控制IC的类型不同，并使用与其相适应的电感器，可使其工作在临界模式(CRM)或连续传导模式(CCM)。CRM PFC常用于100W以下的开关电源，CCM PFC则适用于200W以上的开关电源，至于功率在100W～200W之间的开关电源，设计人员则应根据产品的技术和经济指标，
功率因数校正电路(pfc)电路工作原理及应用
功率因数校正(英文缩写是PFC)是 目前比较流行的一个专业术语。PFC 是在20世纪80年代发展起来的一项新技术，其背景源于离线开关电源的迅速发展和荧光灯交流电子镇流器的广泛应用。PFC 电路的作用不仅仅是提高线路或系统的功率因数，更重要的是可以解决电磁干扰(EMI)和电磁兼容(EMC)问题。 线路功率因数降低的原因及危害 导致功率因数降低的原因有两个，一个是线路电压与电流之间的相位角中，另一个是电流或电压的波形失真。前一个原因人们是比较熟悉的。而后者在电工学等书籍中却从未涉及。 功率因数(PF)定义为有功功率(P)与视在功率(S)之比值，即PF=P/S 。对于线路电压和电流均为正弦波波形并且二者相位角Φ时，功率因数PF 即为COS Φ。由于很多家用电器(如排风扇、抽油烟机等)和电气设备是既有电阻又有电抗的阻抗负载，所以才会存在着电压与电流之间的相位角Φ。这类电感性负载的功率因数都较低(一般为0.5-0.6)，说明交流(AC)电源设备的额定容量不能充分利用，输出大量的无功功率，致使输电效率降低。为提高负载功率因数，往往采取补偿措施。最简单的方法是在电感性负载两端并联电容器，这种方法称为并联补偿。 PFC 方案完全不同于传统的“功率因数补偿”，它是针对非正弦电流波形而采取的提高线路功率因数、迫使AC 线路电流追踪电压波形的瞬时变化轨迹，并使电流与电压保持同相位，使系统呈纯电阻性的技术措施。 长期以来，像开关型电源和电子镇流器等产品，都是采用桥式整流和大容量电容滤波电路来实现AC-DC 转换的。由于滤波电容的充、放电作用，在其两端的直流电压出现略呈锯齿波的纹波。滤波电容上电压的最小值远非为零，与其最大值(纹波峰值)相差并不多。根据桥式整流二极管的单向导电性，只有在AC 线路电压瞬时值高于滤波电容上的电压时，整流二极管才会因正向偏置而导通，而当AC 输入电压瞬时值低于滤波电容上 的电压时，整流二极管因反向偏置而截止。也就是说，在AC 线路电压的每个半周期内，只是在其峰值附近，二极管才会导通(导通角约为70°)。虽然AC 输入电压仍大体保持正弦波波形，但AC 输入电流却呈高幅值的尖峰脉冲，如图l 所示。这种严重失真的电流波形含有大量的谐波成份，引起线路功率因数严重下降。若AC 输入电流基波与输入电压之间的位移角是Φ1，根据傅里叶分析，功率因数PF 与电流总谐波失真(度)THD 之间存在下面关系： 而是由二极管、电阻、电容和电感等无源元件组成。无源PFC 电路有很多类型，其中比较简单的无源PFC 电路由三只二极管和两只电容组成，如图2所示。这种无源PFC 电路的工作原理是：当50Hz 的AC 线路电压按正弦规律由0向峰值V m 变化的1/4周期内(即在0 有源功率因数校正 一、功率因数的定义 功率因数PF 定义为：功率因数（PF ）是指交流输入有功功率（P ）与输入视在功率（S ）的比值。 PF ＝S P ＝R L L I U I U φcos 1=R I I 1cos φ= γcos φ （1） 式中： γ：基波因数，即基波电流有效值I 1与电网电流有效值I R 之比。 I R ：电网电流有效值 I 1：基波电流有效值 U L ：电网电压有效值 cos Φ：基波电流与基波电压的位移因数 在线性电路中，无谐波电流，电网电流有效值I R 与基波电流有效值I 1相等， 基波因数γ=1，所以PF ＝γ·cos Φ＝1·cos Φ＝cos Φ。当线性电路且为纯电阻性负载时，PF ＝γ·cos Φ＝1·1＝1。 二、有源功率因数校正技术 1．有源功率因数校正分类 （1）按电路结构分为：降压式、升/降压式、反激式、升压式（boost ）。 其中升压式为简单电流型控制，PF 值高，总谐波失真（THD ：Total Harmonic Distortion ）小，效率高，适用于75W~2000W 功率范围的应用场合，应用最为广泛。它具有以下优点： ● 电路中的电感L 适用于电流型控制 ● 由于升压型APFC 的预调整作用在输出电容器C 上保持高电压，所以电容器C 体积小、储能大 ● 在整个交流输入电压变化范围内能保持很高的功率因数 ● 输入电流连续，并且在APFC 开关瞬间输入电流小，易于EMI 滤波 ● 升压电感L 能阻止快速的电压、电流瞬变，提高了电路工作可靠性 （2）按输入电流的控制原理分为：平均电流型（工作频率固定，输入电流 连续）、滞后电流型、峰值电流型、电压控制型。 图1 输入电流波形图 其中平均电流型的主要有点如下： ●恒频控制 ●工作在电感电流连续状态，开关管电流有效值小、EMI滤波器体积小。 ●能抑制开关噪声 ●输入电流波形失真小 主要缺点是： ●控制电路复杂 ●需用乘法器和除法器 ●需检测电感电流 ●需电流控制环路 实验五：单相有源功率校正电路 （一）实验目的 1.掌握单相有源功率校正电路的工作原理，要求输出电压达到给定值，且网侧电流正弦化，功率因数为1； 2.掌握电压外环和电流内环的设计方法。 （二）实验原理 有源功率因数校正(Active Power Factor Correction APFC)电路，是指在传统的不控整流中融入有源器件，使得交流侧电流在一定程度上正弦化，从而减小装置的非线性、改善功率因数的一种高频整流电路。 基本的单相APFC电路在单相桥式不可控整流器和负载电阻之间增加一个DC-DC功率变换电路，通常采用Boost电路。通过适当的控制Boost电路中开关管的通断，将整流器的输入电流校正成为与电网电压同相位的正弦波，消除谐波和无功电流，将电网功率因数提高到近似为1。其电路原理图如图1所示。 假定开关频率足够高，保证电感L的电流连续;输出电容C足够大，输出电压u o可认为是恒定直流电压。电网电压u i为理想正弦，即u i=U m sinωt，则不可控整流桥的输出电压u d为正弦半波，u d=u i=U m sinωt。 图1.APFC电路原理图 当开关管Q导通时，u d对电感充电，电感电流i L增加，电容C向负载放电;当Q关断、二极管D导通时，电感两端电压u L反向，u d和u L对电容充电，电感电 流i L减小。电感电流满足下式。 通过控制Q的通断，即调节占空比D，可以控制电感电流i L。若能控制i L近似为正弦半波电流，且与u d同相位，则整流桥交流侧电流i i也近似为正弦电流，且与电网电压u i同相位，即可达到功率因数校正的目的。为此需要引入闭环控制。 控制器必须实现以下两个要求:一是实现输出直流电压u o的调节，使其达到给定值;二是保证网侧电流正弦化，且功率因数为1。即在稳定输出电压u o的情况下，使电感电流i L与u d波形相同。采用电压外环、电流内环的单相APFC双闭环控制原理如图2所示。 电压外环的任务是得到可以实现控制目标的电感电流指令值i L?。给定输出电压u o?减去测量到的实际输出电压u o的差值，经PI调节器后输出电感电流的幅值指令I L?测量到的整流桥出口电压u d除以其幅值U m后，可以得到表示u d波形的量u d′,u d′为幅值为1的正弦半波，相位与u d相同。I L?与u d′相乘，便可以得到电感电流的指令值i L?。i L?为与u d′同相位的正弦半波电流，其幅值可控制直流电压u o的大小。 图2.APFC控制框图 电流内环的任务是通过控制开关管Q的通断，使实际的电感电流气跟踪其有源功率因数校正 总结
单相有源功率校正电路