【正文】 a 等 DC/DC 變流器。為了使輸入電流在波形和相位上很好地跟蹤輸入電壓，控制電路又必須工作在高頻 PWM 狀態(tài)，這樣就可以得到乘法器控制的 PFC 電路的原理圖，如圖 所示，用這樣構(gòu)成的有源功率因素校正整流器其網(wǎng)側(cè)輸入功率因素可以提高到接近于 1，總的輸入電流波形畸變因素接近于 1，諧波含量 ＜ 3%。開關(guān)頻率越高，效果越明顯，當(dāng)開關(guān)頻率 Fs? 249HZ 時(shí)，即可以使輸入功率因素PF? 。但20 世紀(jì) 80 年代的功率因素校正技術(shù)大部分是寄予 Boost 電路原理。這個(gè)階段的注意特點(diǎn)是：校正器采用的是“乘法器（ Multiplier）原理 進(jìn) 行控制，校正器工作在連續(xù)導(dǎo)電模式（ CCM）可以獲得較大的功率轉(zhuǎn)換容量。 20 世紀(jì) 90 年代是功率因素校正技術(shù)大發(fā)展的階段，在這一階段，功率因素校正技術(shù)的理論日趨完善，校正技術(shù)與軟開關(guān)技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步提高了功率因素校正技術(shù)電路的性能?？紤]到 這種需要和有源校正DC/DC 變換器的輸入特點(diǎn)，有源校正電路從輸入結(jié)構(gòu)形式來分，又可以分為電感輸入型和電容輸入型兩種。這種電路的特點(diǎn)是電路連續(xù)，缺點(diǎn)是只能升壓不能降壓、啟動(dòng)及過載沖擊大、保護(hù)困難、空載性能差，所謂電容輸入型，就是用電容 C 作為輸入的電路，這類電路的典型代表是 Buck 有源功率因素校正 dialup，它主要用于電流型逆變器。電感輸入型與電容輸入型 PFC電路的組成如圖 所示，其中圖 a為電感輸入型，圖 b為電容輸入型，這兩種電路是對(duì)偶的。在作為電壓源輸出時(shí)，對(duì)于單相高功率因素應(yīng)用是有局限的，無論采用連續(xù)或斷續(xù)控制，在交流輸入電壓低于輸出電壓時(shí)，輸入電流是不存在的，這樣，輸入功率因素因電流而難以提高，對(duì)于圖 8 所示的原理框圖中，六種 DC/DC 變換器電路都可以互相采用，但是應(yīng)用較多的是 Boost PFC 電路 ，這是因?yàn)樗木W(wǎng)側(cè)輸入電流總是連續(xù)的，而且由于儲(chǔ)能電感常常接在輸入端，所以控制電感電流按正弦變化就可以提高整流器的功率因素。目前電流模式控制方式有兩種，即“峰值電流”模式控制和“平均電流”模式控制。這種控制思想對(duì) Buck 和 BuckBoost 電路也是適合的。就功率因素校正器本身的結(jié)構(gòu)而言，功率因素校正器有可以分為兩級(jí)式和單級(jí)式兩種，如圖 3 所示，其中圖阿是兩級(jí)式，即 PFC 級(jí)和 DC/DC 級(jí)。 PFC 級(jí)主要作 用是使線電流跟蹤線電壓，使線電流正弦化，減少諧波對(duì)電網(wǎng)的污染，提高輸入功率因素。圖 b是單級(jí)式，即使 PFC 和 DC/DC 級(jí)合并，共用一個(gè)開關(guān)管和一套控制電路，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電流的正弦化和對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)。 根據(jù) PFC 即與 DC/DC 級(jí)電流的工作模態(tài)，兩級(jí) PFC 又分為四種，即 ++++ 技術(shù)分類 根據(jù)控制方式，兩級(jí) PFC 又可以分為 PWM 控制和變頻控制。 Boost PFC 的優(yōu)點(diǎn)是輸入電流應(yīng)力小、效率高；而 BuckBoost PFC 輸入電流應(yīng)力較大，但儲(chǔ)能電容電壓較低，功率因素也高一些，圖 。所有的 DC/DC 開關(guān)變換器如 Buck、 Boost、Cuk BuckBoost、 Sepic、 Zeta 等，都可以用于功率因素校正。工作于連續(xù)導(dǎo)電模式時(shí) (CCM),應(yīng)用乘法器（ Multiplier）式控制電路；工作于不連續(xù)導(dǎo)電模式時(shí)（ DCM） ,應(yīng)用電壓跟隨器（ Voltage Follwoer）式控制電路。 D C / D C b） 圖 兩級(jí)式和單級(jí)式 PFC變換器方框圖 a) 兩級(jí)式 b）單級(jí)式 對(duì)于單級(jí) PFC，在 DCM 導(dǎo)電模式下采用電壓跟蹤方進(jìn)行 PFC 時(shí)，可以直接采用常規(guī)的PWM 來調(diào)節(jié)輸出電壓，同時(shí)又可以使輸入 PF=1。但是從校正器變換的功率容量來說，前者只適合與 200W 以下的容量，而工作在 CCM 模式的乘法器方式的 PFC 卻可以應(yīng)用于 200W 以上的容量。 應(yīng)用現(xiàn)代高速開關(guān)器件及高頻功率電子電路構(gòu)成的功率因數(shù)校正電路已經(jīng)成為 PFC 電路的主流。從資料上看，近幾年功率因數(shù)校正技術(shù)的研究熱點(diǎn)集中在以下幾個(gè)方面： ? 新電路結(jié)構(gòu)的提出； ? 把 DC/DC 變換器中的新技術(shù)應(yīng)用到 PFC 電路中（如軟開關(guān)技術(shù)、開關(guān)電容功率網(wǎng)絡(luò)等）； ? 新型控制方法以及基于新電路結(jié)構(gòu)的特殊控制方式； ? 單級(jí) PFC 以及穩(wěn)壓開關(guān)變換器的穩(wěn)定 性研究。 基本的兩種功率因素校正技術(shù) 在 20 實(shí)際 80 年代中期，功率因素校正器的研究以乘法器方式為主，其基本原理如圖 所示。電感電 流被采樣并被控制，使其幅值與輸入電壓相位相同的正弦波參考信號(hào)成正比，從而達(dá)到功率因素趨近 1 的校正目的；乘法器方式 PFC 電路還可以根據(jù)輸出電壓反饋信號(hào)，利用華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 一個(gè)乘法器電路來控制正弦參考電流信號(hào)，從而得到可以調(diào)整的輸入電壓。 基于 Boost 變換 器、連續(xù)導(dǎo)電模式下的乘法器功率因素校正電路可以獲得很大的轉(zhuǎn)換容量，在工業(yè)上已得到廣泛應(yīng)用。 這種 PFC 技術(shù)的特點(diǎn)是：連續(xù)導(dǎo)電模式（ CCM）、采用乘法器控制、需要引入多個(gè)反饋方式控制電路復(fù)雜、轉(zhuǎn)換容量大 ,可用于 200W 以上的 PFC 電路?！半妷焊S器 |”這個(gè)詞是首先由 應(yīng)用到功率因素校正技術(shù)中的。 吳敏華：?jiǎn)蜗嚯妷盒?PWM 整流 16 UR L低 通 濾 波器V DC dL rU r+ U d oSP W M控 制 器C f+L 圖 電壓跟隨器 Boost PFC 電路 . 此電路工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式（ DCM），開關(guān) S 由輸出電壓誤差信號(hào)控制，開關(guān)周期為常數(shù)。實(shí)際上，對(duì)于不同的變換器結(jié)構(gòu)，輸入電流波形將會(huì)出現(xiàn)不同的程度的畸變，但這對(duì)輸入功率因素的影響不大。 這種 PFCdialup 的特點(diǎn)是：變換器工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式、采用電壓 跟隨器控制，可以直接采用常規(guī)的 PWM 調(diào)制，同事提高輸入功率因素和調(diào)節(jié)輸出電壓，控制電路簡(jiǎn)單，成本低。 有源功率因素校正（ APFC）技術(shù) 對(duì)電壓跟隨器的研究方向是：采用軟開關(guān)技術(shù)、多導(dǎo)電模式和新的電路結(jié)構(gòu)來提高其性能和提高其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度等。近幾年來，為了符合國(guó)際電工委員會(huì) 6100032 的諧波準(zhǔn)則，功率因數(shù)校正電路正越來越引起人們的注意。 功率因數(shù) (PF)的定義 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 功率因數(shù) (PF)是指交流輸入有功功率 (P)與輸入視在功率 (S)的比值。 可見 PF 由和 cos? 決定。 ? 值低，則表示輸入電流諧波分量大，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。從而產(chǎn)生大量諧波電流成分，而諧波電流不做功，只有基波電流做功，功率因數(shù)很低。由此帶來的問題是：諧波電流污染電網(wǎng)，干擾其他用電設(shè)備；在輸入功率一定的條件下，輸入電流較大，必須增大輸入斷路器和電源線的量；三相四線制供電時(shí)中線中的電流較大，由 于中線中無過流防護(hù)裝置，有可能過熱甚至著火。因此，開關(guān)電源必須減小諧波分量，提高功率因數(shù)。所以，設(shè)有功率因數(shù)校正電路使功率因數(shù)近于 1 的開關(guān)電源得到迅速的發(fā)展。 功率因數(shù)校正實(shí)現(xiàn)方法 由式 (1)可知，要提高功率因數(shù)有兩個(gè)途徑，即使輸入 電壓、輸入電流同相位；使輸入電流正弦化。 功率因數(shù)校正電路分為有源和無源兩類。雖然無源功率因數(shù)校正電路得到的功率因數(shù)不如有源功率因數(shù)校正電路高，但仍然可以使功率因數(shù)提高到 o． 7~0． 8，因而在中小功率電源中被廣泛采用。它是在橋式整流器與輸出電容濾波器之間加入一個(gè)功率變換電路，使功率因數(shù)接近 1。本文主要討論有源功率因數(shù)校正方法。 ／降壓式 須用二個(gè)功率開關(guān)管，有一個(gè)功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)浮動(dòng)，電路復(fù)雜，較少采用。典型電路如圖 所示。典型電路如圖 所示。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：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。 TI 公司的 UC3854 就工作在平均電流控制方式。 主要缺點(diǎn)是：控制電路復(fù)雜，須用乘法器和除法器，需檢測(cè)電感電流，需電流控制環(huán)路。電流波形平均值取決于電感輸入電流，波形圖如圖 (b)所示。 DCM 采用跟隨器方法具有電路簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，似存在以下缺點(diǎn)： PF 和輸入電壓 Vin 與輸出電壓 V0 的比值有關(guān)，即當(dāng) Vin變化吋， PF 值也將發(fā)生變化，同時(shí)輸入電流波形隨 Vin/Vo 的值的加大而使 THD 變大；開關(guān)管的峰值電流大 (在相同容量情況下， DCM 中通過開關(guān)器件的峰值電流 為 CCM 的 2 倍 )，從而導(dǎo)致開關(guān)管損耗增加。 工作頻率固定，電流不連續(xù)，采用固定占空比的方法，電流自動(dòng)跟隨電壓。波形圖如圖 (d)所示。這種控制方法工作在 CCM 模式，可用于 Flyback,Cuk,Boost等拓?fù)渲?，其調(diào)制方式有脈沖前沿調(diào)制和脈沖后沿調(diào)制。該控制方法的突出特點(diǎn)是，無論是穩(wěn)態(tài)還是暫態(tài)，它都能保持受控量 (通常為斬波波形 )的平均值恰好等于或正比于給定值，即能在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，有效地抑制電源側(cè)的擾動(dòng)，既沒有穩(wěn)態(tài)誤差，也沒有暫態(tài)誤差，這種控制技術(shù)可廣泛應(yīng)用于非線性系統(tǒng)的場(chǎng)合，不必考慮電流模式控制中的人為補(bǔ)償。由于控制信號(hào)實(shí)際為開關(guān)電流在一個(gè)周期內(nèi)的總電荷，因此稱為電荷控制方式。如圖 所示。如果工作在 PWM 硬開關(guān)狀態(tài)下， MOSFET 的開通損耗和二極管的反向恢復(fù)損耗都會(huì)相當(dāng)大，因此，最大的問題是如何消除這兩個(gè)損耗，相應(yīng)就有許多關(guān)于軟開關(guān) Boost 變換器理論的研究，現(xiàn)在具有代表性的有兩種技術(shù)，一是有源軟開關(guān)，二是無源軟開關(guān)即無源無損吸收網(wǎng)絡(luò)。比較成熟的有 ZVT—Boost， ZV華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 S—Boost， ZCS—Boost 電路等。 無源無損吸收則是采用無源元件來減小 MOSFET 的 dv／ dt 和二極管的 dv／ dt，從而減小開通損耗和反向恢復(fù)損耗。 除了軟開關(guān)的研究之外，另一個(gè)人們關(guān)心的研究方向是控制技術(shù)。但是新的控制方法不斷出現(xiàn)，其中大部分是非線性控制方法，比如非線性載波技術(shù)和單周期控制技術(shù)?，F(xiàn)在商業(yè)化的非線性控制芯片有英飛凌公司的一種新的 CCM 的 PFC 控制器，被命名為 ICElPCSOI，是基于一種新的控制方案開發(fā)出來的。該芯片采用了電流平均值控制方法，使得功率因數(shù)可以達(dá)到 1。 提高功率因數(shù)的幾種方法 提高自然因數(shù)的方法： (1). 恰當(dāng)選擇電動(dòng)機(jī)容量，減少電動(dòng)機(jī)無功消 耗，防止 “大馬拉小車 ”。 (3). 避免電機(jī)或設(shè)備空載運(yùn)行。 (5). 調(diào)整生產(chǎn)班次，均衡用電負(fù)荷，提高用電負(fù)荷率。 人工補(bǔ)償法： 實(shí)際中可使用電路電容器或調(diào)相機(jī)，一般多采用電力電容器補(bǔ)嘗無功，即：在感性負(fù)載上并聯(lián)電容器 ， 在感性負(fù)載上并聯(lián)電容器的方法可用電容器的無功功率來補(bǔ)償感性負(fù)載的無功功率，從而減少甚至消除 感性負(fù)載于電源之間原有的能量交換。而純電容的電流則超前于電壓 90186。能相互抵消。 提高功率因數(shù)的實(shí)際意義 對(duì)于電力系統(tǒng)中的供電部分 提供電能的發(fā)電機(jī)是按要求的額定電壓和額定電流設(shè)計(jì)的，發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行 中，電壓和電流都不能超過額定值，否則會(huì)縮短其使用壽命，甚至損壞發(fā)電機(jī)。 中的 cos216。1,發(fā)電機(jī)就得不到充分利用。 吳敏華：?jiǎn)蜗嚯妷盒?PWM 整流 24 對(duì)于電力系統(tǒng)中的輸電部分 輸電線上的損耗： Pl=RI*I，負(fù)載吸收的平均功率： P.=V*I*cos216。所以 Pl=R*P./V/cos216。 由以上式可以看出，在 V 和 P 都不變的情況下，提高功率因數(shù) cos216。 (2) 可節(jié)約電能，降低生產(chǎn)成本，減少企業(yè)的電費(fèi)開支。= 時(shí)的損耗是cos216。 (3) 能提高企業(yè)用電設(shè)備的利用率，充分發(fā)揮企業(yè)的設(shè)備潛力。 (5) 因發(fā)電機(jī)的發(fā)電容量的限定，故提高 cos216。在實(shí)際用電過程中，提高負(fù)載的功率因數(shù)是最有效地提高電力資源利用的方式。而對(duì)于目前人類所大量使用和無比依賴的電能使用，功率因數(shù)將是重中之重。是指在傳統(tǒng)的不控整流中融入有源器件，使得交流側(cè)電流在一定程度上正弦化，從 而減小裝置的非線性，改變功率因數(shù)的一種高頻整流