【正文】 如變壓器、電容器、電機(jī)等）運(yùn)行不正常，加速絕緣老化，從而縮短它們的使用壽命。 （4）使繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及許多用電設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)不正常或不能正常動(dòng)作或操作。 （5）使測(cè)量和計(jì)量?jī)x器、儀表不能正確指示或計(jì)量。 （6）干擾通信系統(tǒng)，降低信號(hào)的傳輸質(zhì)量，破壞信號(hào)的正常傳遞，甚至損壞通信設(shè)備。可見(jiàn)諧波的存在極大地污染了公共電網(wǎng)的用電環(huán)境，必須加以抑制和消除。諧波抑制的途徑：一是使用諧波及無(wú)功補(bǔ)償裝置，用其產(chǎn)生與電網(wǎng)諧波頻率相同但相位相反的諧波，抵消其影響。二是制造不產(chǎn)生諧波的裝置。 研究的主要內(nèi)容了解功率因數(shù)校正的基本原理型PFC電路的控制策略。掌握Boost型功率因數(shù)校正電路的工作原理及其典型控制策略。仿真分析平均電流型Boost功率因數(shù)校正電路。 第2章 功率因數(shù)校正 功率因數(shù) 功率因數(shù)的定義 功率因數(shù)校正可簡(jiǎn)單地定義為有功功率與視在功率之比，即：其中有功功率是一個(gè)周期內(nèi)電流和電壓瞬時(shí)值乘積的平均值，而視在功率是電流值與電壓值的乘積。如果電流和電壓是正弦波而且同相。如果兩者是正弦波但是不同相，則功率因數(shù)是相位角的余弦。在電工基礎(chǔ)課程中，功率因數(shù)往往就是如此定義，但是它僅適用于特定情況，即電流和電壓都是純正弦波。這種情況發(fā)生在負(fù)載由電阻、電容和電感元件組成，而且均為線性（不隨電流和電壓變化）的條件下。因?yàn)檩斎腚娐返脑?，開(kāi)關(guān)模式電源對(duì)于電網(wǎng)電源表現(xiàn)為非線性阻抗。輸入電路通常由半波或全波整流器及其后面的儲(chǔ)能電容器組成，該電容器能夠?qū)㈦妷壕S持在接近于輸入正弦波峰值電壓值處，直至下一個(gè)峰值到來(lái)時(shí)對(duì)電容再進(jìn)行充電。在這種情況下，只在輸入波形的各峰值處從輸入端吸收電流，而且電流脈沖必須包含足夠的能量，以便在下一個(gè)峰值到來(lái)之前能維持負(fù)載電壓。這一過(guò)程通過(guò)在短時(shí)間內(nèi)將大量電荷注入電容，然后由電容器緩慢地向負(fù)載放電來(lái)實(shí)現(xiàn)，之后再重復(fù)這一周期。電流脈沖為周期的10%到20%是十分常見(jiàn)的，這意味著脈沖電流應(yīng)為平均電流的5到10倍。下圖描述了這種情況。圖21. 不帶PFC的典型開(kāi)關(guān)模式電源的輸入特性請(qǐng)注意，盡管電流波形有嚴(yán)重失真，電流和電壓仍可以完全同相。應(yīng)用“相位角余弦”。圖22 電流波形的諧波成分圖22 顯示了電流波形的諧波內(nèi)容?；ǎㄔ诒纠袨?0 Hz）以100%的參考幅度顯示，而高次諧波的幅度則顯示為基波幅度的百分比。注意到幾乎沒(méi)有偶次諧波，這是波形對(duì)稱的結(jié)果。如果波形包含無(wú)限窄和無(wú)限高的脈沖（數(shù)學(xué)上稱為δ函數(shù)），則頻譜會(huì)變平坦，這意味著所有諧波的幅度均相同。順便說(shuō)一下。作為參考，圖23 顯示了功率因數(shù)校正完好的電源輸入。它的電流波形和電壓波形的形狀和相位都極為相似。圖23 帶接近完美的PFC的電源輸入特性通過(guò)以上分析，功率因數(shù)（PF）定義為有功功率與視在功率的比值，用公式表示為式中：I1表示輸入基波電流有效值；Irms表示輸入電流有效值γ表示輸入電流失真系數(shù)cosφ表示基波電壓與基波電流之間的相移因數(shù)所以功率因數(shù)可以定義為輸入電流失真系數(shù)γ與相移因數(shù)cosφ的乘積。 可見(jiàn)功率因數(shù)（PF）由電流失真系數(shù)γ和基波電壓、基波電流相移因數(shù)cosφ決定。cosφ低，則表示用電電器設(shè)備的無(wú)功功率大，設(shè)備利用率低，導(dǎo)線、變壓器繞組損耗大。同時(shí)，γ值低，則表示輸入電流諧波分量大，將造成輸入電流波形畸變，對(duì)電網(wǎng)造成污染，嚴(yán)重時(shí)，對(duì)三相四線制供電，還會(huì)造成中線電位偏移，致使用電電器設(shè)備損壞。 如何抑制和消除諧波對(duì)公共電網(wǎng)的污染，提高功率因數(shù)已成為國(guó)內(nèi)外電源界研究的重要課題。PFC技術(shù)應(yīng)用到新型開(kāi)關(guān)電源中，已成為新一代開(kāi)關(guān)電源的主要標(biāo)志之一。功率因數(shù)校正電路基本上是一個(gè)AC/DC變換器。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的變換器利用脈沖波寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)來(lái)調(diào)整輸入功率大小，以供應(yīng)適當(dāng)?shù)呢?fù)載所需功率脈沖波寬度調(diào)變器控制切換開(kāi)關(guān)（通常是Power MOSFET）將直流輸入電壓變成一串電壓脈沖波，隨后利用變壓器和快速二極管將其轉(zhuǎn)成平滑的直流電壓輸出。這個(gè)輸出電壓隨即與一個(gè)參考電壓進(jìn)行比較，所產(chǎn)生的電壓差回饋至PWM控制器。這個(gè)誤差電壓信號(hào)用來(lái)改變脈沖波寬度的大小，如果輸出電壓過(guò)高，脈沖波寬度會(huì)減小，進(jìn)而使輸出電壓降低，以使輸出電壓恢復(fù)至正常輸出值。PFC電路也是利用這個(gè)方法，但是加入了一個(gè)更先進(jìn)的元件，使得來(lái)自交流電源的電流是一個(gè)正弦波并與交流電壓同相位。此時(shí)誤差電壓信號(hào)的調(diào)變是由整流后的交流電壓和輸出電壓的變化來(lái)控制的，最后誤差電壓信號(hào)回饋至PWM控制器，也就是說(shuō)，當(dāng)交流電壓較高時(shí)，PFC電路就從交流電源吸取較多的功率；反之，若交流電壓較低，則吸取較少的功率，如此可以抑制交流電流諧波產(chǎn)生。由功率因數(shù)定義可以知道要提高功率因數(shù)，有兩個(gè)途徑：（1）使輸入電壓、輸入電流同相位，此時(shí)=1，PF=。（2）是輸入電流正弦化，即（諧波為零），即可以使PF==1。從而實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的校正（Power Factor Correction）。正如前面多分析的常用的功率因數(shù)校正方法主要有有源功率因數(shù)校正(APFC)和無(wú)源功率因數(shù)校正（PPFC）兩大類。有源功率因數(shù)校正又有分立元器件和集成電路構(gòu)成之分，立元器件和集成電路構(gòu)成的功率因數(shù)校正電路又有許多不同的電路形式，而由于采用集成電路構(gòu)成的功率因數(shù)校正電路具有工作可靠、使用性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)，所以采用集成電路組成的有源功率因數(shù)校正電路得到了廣泛應(yīng)用。雖然有源功率因數(shù)校正電路效果也比較好，但是電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成本較高，無(wú)源功率因數(shù)校正電路基本采用分立元器件組成，電路結(jié)構(gòu)較有源簡(jiǎn)單許多，成本也比較低，只要對(duì)諧波電流控制適當(dāng)，也可以是功率因數(shù)保持較高狀態(tài)，可以滿足較好校正要求。本文主要討論有源功率因數(shù)校正方法。無(wú)源功率因數(shù)采用的無(wú)源元件多為由電感和電容組成的低通、帶通濾波器，工作在交流輸入市電的工作頻率（5060Hz），將輸入電流波形進(jìn)行相移和整形。如果控制的合適的話。但由于工作在市電工作頻率，電感和電容元件的體積都比較大，因而由它們組成的無(wú)源功率因數(shù)校正電路的體積也就可能比較大。但電感和電容校正電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但是另外一方面，他們的補(bǔ)償特性又容易受到電網(wǎng)阻抗、負(fù)載特性的影響，并且會(huì)由于和電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振而造成電路元器件的損壞，不容易對(duì)諧波和無(wú)功功率實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。盡管它的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單，無(wú)源PFC電路仍有一些缺點(diǎn)。首先，巨大的電感限制了它在許多應(yīng)用中的實(shí)用性。其次，如上所述，為了能在全球范圍內(nèi)使用，需要一個(gè)線路電壓范圍開(kāi)關(guān)。增加該開(kāi)關(guān)會(huì)增大因操作者錯(cuò)誤（比如開(kāi)關(guān)位置選擇錯(cuò)誤）而給電器/系統(tǒng)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。最后，未穩(wěn)壓的電壓會(huì)提高PFC段后直流直流轉(zhuǎn)換器的成本，并降低其效率。實(shí)際應(yīng)用證明：一般不加功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)的單相整流器對(duì)電網(wǎng)的諧波電流污染十分嚴(yán)重，由整流二極管和濾波電容組成的整流濾波電路主要存在如下的問(wèn)題：（1）一般系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)將會(huì)產(chǎn)生很大沖擊電流，約為正常工作電流的十幾倍甚至數(shù)十倍。（2）系統(tǒng)正常工作時(shí)，由于整流二極管的導(dǎo)通角很?。ㄒ话阒挥凶笥遥?，會(huì)形成一個(gè)幅度很高的窄脈沖，電流波峰因數(shù)高，電流總諧波畸變率通常超過(guò)100%，同時(shí)還會(huì)引起電網(wǎng)電壓波形的畸變。（3）功率因數(shù)都比較低，～。有源功率因數(shù)校正電路按拓?fù)浞诸愑幸韵聨状箢悾?）降壓式。因噪聲大，濾波困難，功率開(kāi)關(guān)管上電壓應(yīng)力大，控制驅(qū)動(dòng)電平浮動(dòng)，很少被采用。（2）升／降壓式。須用二個(gè)功率開(kāi)關(guān)管，有一個(gè)功率開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)浮動(dòng)，電路復(fù)雜，較少采用。（3）反激式。輸出與輸入隔離，輸出電壓可以任意選擇，采用簡(jiǎn)單電壓型控制，適用于150W以下功率的應(yīng)用場(chǎng)合。（4）升壓式(Boost)簡(jiǎn)單電流型控制，PF值高，總諧波畸變因數(shù)(THD)小，效率高，但是輸出電壓高于輸入電壓。優(yōu)點(diǎn)是電路中的電感L適用于電流型控制，由于升壓型APFC的預(yù)調(diào)整作用在輸出電容器C上保持高電壓，所以電容器C體積小、儲(chǔ)能大；在整個(gè)交流輸入電壓變化范圍內(nèi)能保持很高的功率因數(shù)；當(dāng)輸入電流連續(xù)時(shí)，易于EMI濾波；升壓電感L能阻止快速的電壓、電流瞬變，提高了電路工作可靠性。另外，按按輸入電流的控制原理分類，還有以下幾類：（1） 平均電流型（2） 滯后電流型（3） 峰值電流型（4） 電壓控制型幾種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，很多資料和參考書(shū)籍上也有相關(guān)介紹。研究比較成熟，應(yīng)用也比較廣泛。圖23顯示了連續(xù)模式PFC 的典型方法。升壓轉(zhuǎn)換器由一個(gè)根據(jù)電流命令信號(hào)Vi 對(duì)電感電流（轉(zhuǎn)換器的輸入電流）進(jìn)行整形的平均電流模式脈沖寬度調(diào)制器(PWM)驅(qū)動(dòng)。此信號(hào)Vi 是輸入電壓Vin 進(jìn)行幅度變換后的復(fù)制品，由電壓誤差信號(hào)除以輸入電壓的平方得到（經(jīng)過(guò)Cf 濾波，使得它成為和輸入幅度成正比的變換系數(shù)）。用誤差信號(hào)去除以輸入電壓幅度的平方似乎并不常見(jiàn)。其目的是使環(huán)路增益（以及瞬態(tài)響應(yīng)）獨(dú)立于輸入電壓。分母中的電壓平方函數(shù)抵消了VSIN的幅度和PWM控制的傳遞函數(shù)（電感中的電流斜率和輸入電壓成正比）。這個(gè)方案的缺點(diǎn)在于乘法器乘積的可變性。這就需要增大功率處理元件的設(shè)計(jì)余量，以解決最壞情況下的功率耗散。圖24 經(jīng)典PFC 電路的框圖平均電流模式控制采用一個(gè)根據(jù)控制信號(hào)Icp來(lái)穩(wěn)定平均電流（輸入或輸出）的控制電路。對(duì)于一個(gè)PFC控制器，Icp由低頻直流環(huán)路誤差放大器產(chǎn)生。電流放大器是電流信號(hào)的積分器和誤差放大器。它控制波形調(diào)整，而Icp信號(hào)控制直流輸出電壓。電流Icp在Rcp上產(chǎn)生了一個(gè)電壓。為保持電流放大器的線性狀態(tài)，其輸入必須相等。因此，在Rshunt上的電壓降必須等于Rcp上的電壓，因?yàn)樵陔娏鞣糯笃魍喽说妮斎腚娮枭蠜](méi)有直流電流。電流放大器的輸出是一個(gè)基于分路上平均電流的“低頻”誤差信號(hào)和Icp信號(hào)。和電壓模式控制電路的情形一樣，此信號(hào)被拿來(lái)同振蕩器的鋸齒波信號(hào)進(jìn)行比較，PWM比較器將根據(jù)這兩個(gè)輸入信號(hào)生成一個(gè)占空比。乘法器的交流參考信號(hào)輸出(Vi)表示了圖3中的PFC轉(zhuǎn)換器的輸入電流波形、相位和比例系數(shù)。PWM控制器模塊的任務(wù)是使平均輸入電流與參考匹配。為此，一個(gè)叫做平均電流模式控制的控制系統(tǒng)將被應(yīng)用在這些控制器中,這種方案如圖4所示。由上述分析可以得出，對(duì)于不同的最終應(yīng)用要求和主要的推動(dòng)因素，PFC電路的選擇會(huì)有所不同。直到最近，僅有一兩種拓?fù)浔粡V泛用于PFC實(shí)施。對(duì)于較高功率的電路而言，通常選擇的拓?fù)錇樵谶B續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)下工作的升壓轉(zhuǎn)換器，并帶有平均電流模式控制(ACMC)。對(duì)于較低功率的應(yīng)用，一般使用臨界導(dǎo)電模式(CRM)升壓拓?fù)?。因?yàn)閮?nèi)置PFC的電路應(yīng)用范圍已經(jīng)拓展，所有對(duì)于更多樣化的PFC解決方案的需求也正在不斷增長(zhǎng)。許多新興的解決方案使用了成熟拓?fù)涞淖冃?，一些真正?chuàng)新的技術(shù)也已涌現(xiàn)。 圖25. 平均電流模式控制電路圖 APFC控制電路硬件的發(fā)展趨勢(shì)APFC控制電路的硬件形式正向兩個(gè)方向發(fā)展，一是用于APFC的集成控制電路的研發(fā)，國(guó)外有多家公司生產(chǎn)用于APFC的專用集成控制器。集成控制器具有體積小、功能強(qiáng)、系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了廣泛應(yīng)用。二是將控制電路的功能融合到整個(gè)AC/DC變換器系統(tǒng)中的電路形式。這種硬件形式不再附加控制器，甚至不再單設(shè)開(kāi)關(guān)變換器，而是充分利用某一具體AC/DC變換器的特點(diǎn)，將開(kāi)關(guān)變換器和集成控制器的功能融合到整個(gè)系統(tǒng)中去。這種硬件形式是AC/DC技術(shù)發(fā)展的新方向。目前文獻(xiàn)上研究的兩級(jí)PFC技術(shù)一般都是指Boost PFC前置級(jí)和后隨的DC/DC功率變換級(jí)。對(duì)Boost PFC前置級(jí)而言，研究的熱點(diǎn)主要有兩個(gè)，一是功率級(jí)的進(jìn)一步完善，二是PFC控制的簡(jiǎn)化。因?yàn)樵贐oost電路中輸出電壓比輸入電壓高，所以最低的中間母線電壓也必須大于最高輸入電壓的峰值，這是由電網(wǎng)電壓的范圍決定的。在我國(guó)如果僅考慮單相輸入且最高電壓為270V，則該母線電壓就須設(shè)置為385V～400V。開(kāi)關(guān)的開(kāi)通損耗和二極管的反響恢復(fù)損耗在PWM硬開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)下都回相當(dāng)大，因此最大的問(wèn)題是如何減少或者消除這兩種損耗。相應(yīng)地就有許多軟開(kāi)關(guān)Boost變換器理論的研究，現(xiàn)在較具代表性的有兩種技術(shù)，其中一種是有源吸收技術(shù)，另一種是無(wú)源吸收技術(shù)。除了功率級(jí)的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)研究外，另一個(gè)人們較為關(guān)注的研究方向是PFC的控制技術(shù)。目前最為常用的控制技術(shù)有三種，即平均電流控制Boost PFC、CCM/DCM邊界控制Boost PFC以及電流箝位控制Boost PFC,下面研究平均電流控制Boost PFC。平均電流控制Boost PFC通過(guò)檢測(cè)Boost電感電流并與正弦電流基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較，所得的誤差信號(hào)經(jīng)放大后再與斜坡信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生PWM占空比信號(hào)去控制主開(kāi)關(guān)，以實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)和穩(wěn)定輸出電壓。其中正弦電流基準(zhǔn)信號(hào)由乘法器輸出獲得。這種技術(shù)的電壓環(huán)帶寬控制在20Hz以下，電流環(huán)則要求足夠快的以滿足不失真和低諧波的要求。優(yōu)點(diǎn)是定頻控制，功率因數(shù)較高；缺點(diǎn)是要檢測(cè)電感電流，控制器外圍參數(shù)設(shè)置和選擇較為復(fù)雜。研究單級(jí)PFC技術(shù)的目的是減少元器件數(shù)量，降低成本，提高效率簡(jiǎn)化控制等。與傳統(tǒng)的兩級(jí)電路相比，省掉了一個(gè)MOSFET,但增加了一個(gè)二極管。另外其控制采用一般的PWM方式，故相當(dāng)簡(jiǎn)單。為了保證高輸入功率因數(shù)，輸入電感的電流應(yīng)當(dāng)為電流不連續(xù)模式，在這里控制器的作用是保證快速、穩(wěn)定輸出。功率因數(shù)的高低、諧波電流的高低與電感L的大小和電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)密切相關(guān)，這就是近年研究單級(jí)PFC結(jié)構(gòu)的真正動(dòng)機(jī)。單級(jí)PFC技術(shù)的研究仍呈上升的趨勢(shì)，原因是其性能尚未打到最優(yōu)，許多問(wèn)題有待進(jìn)一步解決。依據(jù)目前三相PFC技術(shù)的發(fā)展情況，在今后幾年三相PFC技術(shù)的發(fā)展熱點(diǎn)問(wèn)題將主要集中在幾個(gè)方面：新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的提出；新的控制方法；將其他開(kāi)關(guān)電路組合到三相PFC電路中；研究磁放大式PFC技術(shù)；軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。有源功率因數(shù)校正技術(shù)蓬勃發(fā)展，平均電流型有源功率因數(shù)校正技術(shù)適用于大功率，成為工業(yè)設(shè)計(jì)中首選方式。 第3章 單項(xiàng)功率因數(shù)校正技術(shù)我們這里介紹的功率因數(shù)校正技術(shù)由于使用了有源器件，所以叫做有源功率因數(shù)校正（Active Power Correction）。