1概述

近年來,，隨著電子技術(shù)的發(fā)展,，對各種辦公自動化設(shè)備，家用電器,，計算機的需求逐年增加,。這些設(shè)備的內(nèi)部，都需要一個將市電轉(zhuǎn)換為直流的電源部分,。在這個轉(zhuǎn)換過程中,，會產(chǎn)生大量的諧波電流，使電力系統(tǒng)遭受污染,。作為限制標(biāo)準,，IEC發(fā)布了IEC100032；歐美日各國也頒布實施了各自的標(biāo)準,。為此諧波電流的抑制及功率因數(shù)校正是電源設(shè)計者的一個重要的課題,。

2高次諧波及功率因數(shù)校正

一般開關(guān)電源的輸入整流電路為圖1所示：

市電經(jīng)整流后對電容充電，其輸入電流波形為不連續(xù)的脈沖,，如圖2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：I=(1)

式中：I1,，I2,，…In，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,我們將各次諧波有效值與基波有效值的比稱之為總諧波畸變THD(TotalHarmonicDistortion)：THD=(2)

用來衡量電網(wǎng)的污染程度,。脈沖狀電流使正弦電壓波形發(fā)生畸變，見圖3的波峰處,。它對自身及同一系統(tǒng)的其它電子設(shè)備產(chǎn)生惡劣的影響,，如：

——引起電子設(shè)備的誤操作，如空調(diào)停止工作等,；

——引起電話網(wǎng)噪音,；

——引起照明設(shè)備的障礙，如熒光燈閃滅,；

——造成變電站的電容,，扼流圈的過熱、燒損,。

功率因數(shù)定義為PF=有效功率/視在功率,是指被有效利用的功率的百分比,。沒有被利用的無效功率則在電網(wǎng)與電源設(shè)備之間往返流動，不僅增加線路損耗,，而且成為污染源,。

設(shè)電容輸入型電路的輸入電壓e為：

e(t)=Em·sinω0t(3)

圖1電容輸入型電路

圖2電容輸入型電路的輸入電流,5A/DIV

圖3輸入電壓波形發(fā)生畸變

入電流i為：i(t)=Imk·sin(kω0t)(4)

則有效功率Pac為： 

Pac=e(t)·i(t)dt=Em·Im1/2=E·I1而視在功率Pap為：

Pap=E·I因此：

PF=Pac/Pap=I1/I=(5)

電流波形為圖2的電源功率因數(shù)只有62.4％。由式(2),、(5)可見功率因數(shù)與總諧波畸變THD的關(guān)系為:PF=1/(6)

從式(2),、式(5)可見，抑制諧波分量即可達到減小THD,，提高功率因數(shù)的目的,。因此可以說諧波的抑制電路即功率因數(shù)校正電路(實際上有所區(qū)別)。

3功率因數(shù)校正的實現(xiàn)方法

綜上所述,，只要設(shè)法抑制輸入電流中的諧波分量,，通過電路方法，將輸入電流波形校正為或使無限接近正弦波,即可實現(xiàn)功率因數(shù)校正,。

有很多的電路方式可以實現(xiàn)這一目的,，比如說在電路中加入一個大電感（見圖4），使整流管的導(dǎo)通角變大,。這種方法雖然簡單,，價格低，但存在體積大，重量大,，且效果不好(PF小于80％)等缺點,。

下面以東芝公司的功率因數(shù)校正控制ICTA8310F為例，介紹一種有源功率因數(shù)校正方法,。電路原理圖見圖5,。

3．1主電路

由一個全橋整流器和升壓型BOOST變換器構(gòu)成，雖然其它的變換器BUCK,FLYBACK等也可以實現(xiàn)這一功能,，但是由于BOOST變換器具有輸出電容小斷電保持時間長,，可實現(xiàn)WorldWild電壓輸入,，及輸入電流連續(xù)EMI小等諸多優(yōu)點,，大部分功率因數(shù)校正都采用它來作為主電路。

Vout=Vin/（1－D）（7）

式中：Vin為輸入電壓的有效值,；

D為開關(guān)管FET的占空比,。

主電路參數(shù)為：輸入178～264Va.c.；

輸出380Vd.c.,；

最大輸出功率608W,。

3．2PFC控制電路

為圖5的虛線框中部分，主要包含一個乘法器MPX,，電流誤差放大器EI及PWM比較器,。三者協(xié)調(diào)工作，將系統(tǒng)的輸入電流校正為正弦波,，實現(xiàn)諧波的抑制,。原理如下:

（1）乘法器MPX包含2個輸入，一個是通過電阻Ra檢測輸入電壓,，作為基準的正弦波信號,。只要做到使輸入電流波形與此一致，即可達到目的,。乘法器的另一個輸入是電壓誤差放大器EV的輸出端,，作為輸出穩(wěn)壓的控制信號，見下述（3）,。乘法器為電流輸入型,，不易受噪音干擾；

圖4扼流圈輸入型電路

圖5有源功率因數(shù)校正電路原理圖（原圖,，未做格式處理） 

圖6電感線圈L的電流波形示意圖

圖7功率因數(shù)改善后的輸入電流波形,2A/DIV

（2）乘法器的輸出電流信號為基準正弦波電流與電壓誤差放大器EV輸出的積,，它通過電阻Rb，產(chǎn)生一個信號電壓,。該信號電壓與由電阻Rc檢測到的主電路電流的信號電壓之差輸入到電流誤差放大器EI,，而EI與PWM比較器，驅(qū)動器DRIVER，主電路及Ra形成一個閉環(huán)控制,。使兩者的差無限接近于零,。也就是說電阻Rb上的信號電壓與電阻Rc上的信號電壓相同，以達到電源的輸入電流波形無限接近于基準正弦波的目的,。

為了更容易理解,，可放大示波器X軸量程，觀察輸入電流IL的波形,，如圖6所示,，通過PWM控制，改變開關(guān)的占空比,，來實現(xiàn)對輸入電流的校正,；

（3）一個PFC里面有2個閉環(huán)控制回路，其一就是上述的（1）,、（2）,，我們稱之為電流控制環(huán)。它實現(xiàn)功率因數(shù)校正,。其二是由電壓誤差放大器EV,，乘法器MPX，EI,，PWM比較器,，DRIVER，主電路及Ra構(gòu)成的電壓控制環(huán),，它使輸出電壓穩(wěn)定在380Vd.c.,。

主要設(shè)計參數(shù)有:開關(guān)頻率f=95kHz；

功率因數(shù)PF=99.2％,；

效率η=95.4％,。

EMC:符合VCCIA,FCCA,VDEA,DOCA,及EN55022。

實現(xiàn)功率因數(shù)校正后的電源,，其輸入電流的波形,，見圖7。功率因數(shù)達到99.2％,，THD只有0.127,。與圖2比較，電流波形已得到明顯的校正,。

3．3設(shè)計時的注意事項

扼流線圈的選取會影響到輸出紋波電流的大小,，及其它電路設(shè)計參數(shù)。應(yīng)保證它有足夠大的飽和電流,，而其值L為：L=·Vmin2/（2··Pout·f）(8)

式中：Vmin為最小輸入電壓的峰值,；

Vout為輸出電壓；

ΔIL為扼流線圈上的紋波電流峰峰值；

IPmax為輸入電流的峰值,；

Pout為輸出功率,；

f為電源開關(guān)頻率。

用來檢測電流的主電路上的Rc應(yīng)當(dāng)選用額定功率大的電阻,，且阻值應(yīng)盡量小,，一般在幾十mΩ級。

IC的2腳,，4腳間及12腳,，13腳間接入RC相位補償網(wǎng)絡(luò)，合適的選值可以使系統(tǒng)更穩(wěn)定,，并可減小輸出電壓紋波,。

4結(jié)語

作為限制諧波電流的對策而導(dǎo)入的功率因數(shù)校正，對其小型化,，高效率,，低價格,，噪音小的要求將會越來越苛刻,，特別是對其低噪音化在國外已經(jīng)成為一個重要的課題，利用諧振技術(shù)的PFC控制IC也已經(jīng)得到了開發(fā)和應(yīng)用,，如UNITRODE公司的UC3852等,。改善和創(chuàng)新永無止境。