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第2章 功率因数校正

制交流电流谐波产生。

2.2功率因数校正的一般方法

由功率因数定义可以知道要提高功率因数，有两个途径：（1）使输入电压、输入电流同相位，此时cos?=1，PF=?。（2）是输入电流正弦化，即Ii?I1（谐波为零），即可以使PF=?cos?=1。从而实现功率因数的校正（Power Factor Correction）。正如前面多分析的常用的功率因数校正方法主要有有源功率因数校正(APFC)和无源功率因数校正（PPFC）两大类。有源功率因数校正又有分立元器件和集成电路构成之分，立元器件和集成电路构成的功率因数校正电路又有许多不同的电路形式，而由于采用集成电路构成的功率因数校正电路具有工作可靠、使用性能好等一系列优点，所以采用集成电路组成的有源功率因数校正电路得到了广泛应用。

虽然有源功率因数校正电路效果也比较好，但是电路结构比较复杂，成本较高，无源功率因数校正电路基本采用分立元器件组成，电路结构较有源简单许多，成本也比较低，只要对谐波电流控制适当，也可以是功率因数保持较高状态，可以满足较好校正要求。本文主要讨论有源功率因数校正方法。

2.2.1无源功率因数校正

无源功率因数采用的无源元件多为由电感和电容组成的低通、带通滤波器，工作在交流输入市电的工作频率（50-60Hz），将输入电流波形进行相移和整形。如果控制的合适的话，系统功率因数可以提高到0.9以上。但由于工作在市电工作频率，电感和电容元件的体积都比较大，因而由它们组成的无源功率因数校正电路的体积也就可能比较大。但电感和电容校正电路具有结构简单的优点，但是另外一方面，他们的补偿特性又容易受到电网阻抗、负载特性的影响，并且会由于和电网阻抗发生谐振而造成电路元器件的损坏，不容易对谐波和无功功率实现动态补偿。

尽管它的特点是简单，无源PFC电路仍有一些缺点。首先，巨大的电感限制了它在许多应用中的实用性。其次，如上所述，为了能在全球范围内使用，需要一个线路电压范围开关。增加该开关会增大因操作者错误（比如开关位置选择错误）而给电器/系统带来的风险。最后，未稳压的电压会提高

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PFC段后直流-直流转换器的成本，并降低其效率。

实际应用证明：一般不加功率因数校正环节的单相整流器对电网的谐波电流污染十分严重，由整流二极管和滤波电容组成的整流滤波电路主要存在如下的问题：

（1）一般系统启动时将会产生很大冲击电流，约为正常工作电流的十几倍甚至数十倍。

060（2）系统正常工作时，由于整流二极管的导通角很小（一般只有左

右），会形成一个幅度很高的窄脉冲，电流波峰因数高，电流总谐波畸变率通常超过100%，同时还会引起电网电压波形的畸变。

（3）功率因数都比较低，一般约为0.5～0.6。

2.2.2有源功率因数校正

有源功率因数校正电路按拓扑分类有以下几大类

（1）降压式。因噪声大，滤波困难，功率开关管上电压应力大，控制驱动电平浮动，很少被采用。

（2）升／降压式。须用二个功率开关管，有一个功率开关管的驱动控制信号浮动，电路复杂，较少采用。

（3）反激式。输出与输入隔离，输出电压可以任意选择，采用简单电压型控制，适用于150W以下功率的应用场合。

（4）升压式(Boost)

简单电流型控制，PF值高，总谐波畸变因数(THD)小，效率高，但是输出电压高于输入电压。优点是电路中的电感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；当输入电流连续时，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。

另外，按按输入电流的控制原理分类，还有以下几类：

（1） 平均电流型（2） 滞后电流型（3） 峰值电流型（4） 电压控制型

几种方法各有优缺点，很多资料和参考书籍上也有相关介绍。研究比较成熟，应用也比较广泛。

图2-3显示了连续模式PFC 的典型方法。升压转换器由一个根据电流命

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第2章 功率因数校正

令信号Vi 对电感电流（转换器的输入电流）进行整形的平均电流模式脉冲宽度调制器(PWM)驱动。此信号Vi 是输入电压Vin 进行幅度变换后的复制品，由电压误差信号除以输入电压的平方得到（经过Cf 滤波，使得它成为和输入幅度成正比的变换系数）。

用误差信号去除以输入电压幅度的平方似乎并不常见。其目的是使环路增益（以及瞬态响应）独立于输入电压。分母中的电压平方函数抵消了VSIN的幅度和PWM控制的传递函数（电感中的电流斜率和输入电压成正比）。这个方案的缺点在于乘法器乘积的可变性。这就需要增大功率处理元件的设计余量，以解决最坏情况下的功率耗散。

交流输入电压负载PWM控制乘以Km除以Kd平方Ks

图2-4 经典PFC 电路的框图

平均电流模式控制采用一个根据控制信号Icp来稳定平均电流（输入或输出）的控制电路。对于一个PFC控制器，Icp由低频直流环路误差放大器产生。电流放大器是电流信号的积分器和误差放大器。它控制波形调整，而Icp信号控制直流输出电压。电流Icp在Rcp上产生了一个电压。为保持电流放大器的线性状态，其输入必须相等。因此，在Rshunt上的电压降必须等于Rcp上的电压，因为在电流放大器同相端的输入电阻上没有直流电流。电流放大器的输出是一个基于分路上平均电流的“低频”误差信号和Icp信号。和电压模式控制电路的情形一样，此信号被拿来同振荡器的锯齿波信号进行比

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较，PWM比较器将根据这两个输入信号生成一个占空比。

乘法器的交流参考信号输出(Vi)表示了图3中的PFC转换器的输入电流波形、相位和比例系数。PWM控制器模块的任务是使平均输入电流与参考匹配。为此，一个叫做平均电流模式控制的控制系统将被应用在这些控制器中,这种方案如图4所示。

由上述分析可以得出，对于不同的最终应用要求和主要的推动因素，PFC电路的选择会有所不同。直到最近，仅有一两种拓扑被广泛用于PFC实施。对于较高功率的电路而言，通常选择的拓扑为在连续导电模式(CCM)下工作的升压转换器，并带有平均电流模式控制(ACMC)。对于较低功率的应用，一般使用临界导电模式(CRM)升压拓扑。因为内置PFC的电路应用范围已经拓展，所有对于更多样化的PFC解决方案的需求也正在不断增长。许多新兴的解决方案使用了成熟拓扑的变形，一些真正创新的技术也已涌现。

输出振荡器输出地电流放大器

图2-5. 平均电流模式控制电路图

2.3功率因数校正技术的发展趋势

2.3.1 APFC控制电路硬件的发展趋势

APFC控制电路的硬件形式正向两个方向发展，一是用于APFC的集成控制电路的研发，国外有多家公司生产用于APFC的专用集成控制器。集成控制器具有体积小、功能强、系统电路简单等优点，因此得到了广泛应用。二是将控制电路的功能融合到整个AC/DC变换器系统中的电路形式。这种硬件

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形式不再附加控制器，甚至不再单设开关变换器，而是充分利用某一具体AC/DC变换器的特点，将开关变换器和集成控制器的功能融合到整个系统中去。这种硬件形式是AC/DC技术发展的新方向。

2.3.2两级PFC技术的现状和发展趋势

目前文献上研究的两级PFC技术一般都是指Boost PFC前置级和后随的DC/DC功率变换级。对Boost PFC前置级而言，研究的热点主要有两个，一是功率级的进一步完善，二是PFC控制的简化。因为在Boost电路中输出电压比输入电压高，所以最低的中间母线电压也必须大于最高输入电压的峰值，这是由电网电压的范围决定的。在我国如果仅考虑单相输入且最高电压为270V，则该母线电压就须设置为385V～400V。开关的开通损耗和二极管的反响恢复损耗在PWM硬开关工作状态下都回相当大，因此最大的问题是如何减少或者消除这两种损耗。相应地就有许多软开关Boost变换器理论的研究，现在较具代表性的有两种技术，其中一种是有源吸收技术，另一种是无源吸收技术。

除了功率级的软开关技术研究外，另一个人们较为关注的研究方向是PFC的控制技术。目前最为常用的控制技术有三种，即平均电流控制Boost PFC、CCM/DCM边界控制Boost PFC以及电流箝位控制Boost PFC,下面研究平均电流控制Boost PFC。

平均电流控制Boost PFC通过检测Boost电感电流并与正弦电流基准信号进行比较，所得的误差信号经放大后再与斜坡信号进行比较，产生PWM占空比信号去控制主开关，以实现单位功率因数和稳定输出电压。其中正弦电流基准信号由乘法器输出获得。这种技术的电压环带宽控制在20Hz以下，电流环则要求足够快的以满足不失真和低谐波的要求。优点是定频控制，功率因数较高；缺点是要检测电感电流，控制器外围参数设置和选择较为复杂。

2.3.3单级PFC技术的现状和发展

研究单级PFC技术的目的是减少元器件数量，降低成本，提高效率简化控制等。与传统的两级电路相比，省掉了一个MOSFET,但增加了一个二极管。另外其控制采用一般的PWM方式，故相当简单。为了保证高输入功率因数，

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