一種新穎的無源功率因數校正電路

摘要：提出了一種新穎的無源功率因數校正電路，該電路在傳統的無源功率因數校正基礎上增加了一個簡單的輔助電路，通過增大整流橋的導通角，從而降低了奇次諧波成分并消除了偶次諧波。電路的仿真和實驗驗證了分析的正確性和該電路的實用性。

關鍵詞：無源功率因數校正；功率因數；總諧波畸變

1? 引言

??? 隨著電力電子技術的不斷發展，越來越多的開關電源裝置被廣泛應用于各種不同的領域，使得開關電源對電網的影響，如諧波污染及輸入端功率因數下降等問題顯得日益突出。為減少裝置對電網的諧波污染和電磁干擾，提出了相應的諧波抑制方法和功率因數校正電路。

??? 功率因數校正電路一般分為有源功率因數校正(APFC)和無源功率因數校正(PPFC)。有源功率因數校正是功率因數校正的主要方法，它具有體積小、重量輕及可使功率因數調整到接近于1，輸入電流總諧波含量降到10％以下的特點。這種電路適合制作高性能的開關電源，但由于要采用專用芯片，成本較高，很難應用于中小功率的開關電源之上。

??? 單相整流電路功率因數的無源校正技術是在整流電路中用LC濾波器來增大整流橋導通角，從而降低電流諧波提高功率因數。無源功率因數校正由于采用電感、電容、二極管等元器件代替了價格較高的有源器件，因而使開關電源的成本降低。雖然采用無源功率因數校正所得到的功率因數不如有源功率因數電路高，但仍然能使電路的功率因數提高到0.7至0.8，電流諧波含量降到40％以下。因而這種技術在中小容量的電子設備中被廣泛采用。

??? 但無源功率因數校正還存在著諸如波峰系數與諧波含量較高等技術問題，仍需進一步改進。無源PFC電路同時作為一種整流電路的前端濾波器工作在工頻(50～60Hz)狀態，使用的電容和鐵心電感處于工頻低通或帶通狀態，因而濾波器體積和重量比較龐大。

??? 本文將介紹一種改進的無源功率因數校正電路，在基本上不增加成本的情況下，提高功率因數及減小電流諧波成分，使得電路能更好地滿足IEC1000?3?2標準，具有較高的實用價值。

2? 典型無源功率因數校正電路

??? PFC濾波電路通常和EMI濾波電路結合起來設計。圖中L_cm和C_cm構成電磁干擾共模抑制電路，L_dm和C_dm構成電磁干擾差模抑制電路。無源濾波電路由L_p和C_p組成，置于橋式整流電路的輸入端。當電網中有諧波侵入時，適當地選擇L、C的參數，可防止高頻電路產生的大量高次諧波進入電網,也可阻止電網諧波進入整流電路。通常差模濾波電路的傳遞函數特性與PFC濾波電路相似，因而電路可簡化為圖2所示。

圖2? 簡化無源濾波型PFC電路

3? 改進型無源功率因數校正電路

??? 在無源功率因數校正的基礎上采用了一種新穎的輔助電路來減小濾波器的體積及重量，同時進一步提高功率因數，減小電流諧波。輔助電路采用了小信號二極管和小容量的電容來實現。電路結構如圖3所示。

圖3? 無源功率因數校正電路拓撲

??? 輔助電路由D₅－D₈，C₂－C₃組成。D₅，D₈的陽極接＋16V的電壓給電容C₂，C₃充電。工作波形如圖4仿真波形所示，圖中v₃為輸入正弦電壓波形，v_c1為整流后的濾波電容電壓；i_in為輸入電流波形。當輸入電壓為正半波時，電容C₃已被充電到16V，比整流橋二極管D₁陽極電壓高出16V，隨著輸入電壓的升高，二極管D₇陽極電壓首先達到濾波電容C₁上的電壓而開通，電容C₃放電，然后整流橋開通，C₃放電完畢二極管D₇自動關斷。同理，當輸入電壓進入負半波時，電容C₂及輔助二極管D₅進行充放電使得整個工頻周期內的二極管導通角增大，從而提高功率因數并降低總諧波畸變。C₂，C₃，電壓波形及D₅，D₇電流波形如圖4所示。

圖4? 電路工作原理圖

??? 在這里可以估算一下導通角及流過輔助二極管的電流峰值^[2]。

??? 整流橋后的濾波電容為

??? C_in=（1）

式中：t_off為半個工頻周期內整流橋關斷時間，取為6ms；

??? I_in－av(max)為輸入最大平均電流，根據電路設計，取為0.8A；

??? V_ripple為濾波電容上的電壓紋波。

??? 由輸出功率得到濾波電容值為240μF，代入式（1）可得濾波電容上的電壓紋波V_ripple=20V。

??? 設輔助二極管開通時間為t₁，整流橋開通時間為t₂，則有

??? V_msint₁=V_m－V_ripple－V_c2（2）

??? V_msint₂=V_m－V_ripple（3）

??? 則可得到所增大的導通時間Δt為：

????? Δt=t₂－t₁（4）

??? 代入V_m=310V，可得Δt=0.4ms（對于工頻50Hz相當增加導電角7.2°）。導通期間電流峰值由電容C₂、C₃值的大小和負載大小情況決定，因而C₂、C₃一般選取較小，以保證無論負載情況如何變化，電容電荷都會在整流二極管開通后迅速釋放。這里C₂、C₃取22μF。

4? 仿真及實驗

??? 實驗裝置為一臺150W雙管正激電路，電路有5路輸出：±12V，5V，5Vsb，3.3V。電路采用SiMatrix仿真軟件對輸入電流進行傅立葉分解，得到的電流諧波如圖5所示，圖中波形①為傳統的無源濾波型功率因數校正電路的電流分解圖，波形②為改進型無源濾波電流分解圖。由圖可知，波形①含有較大成分的2次，4次等諧波，而波形②不僅消除了偶次諧波，而且3次，5次等奇次諧波也有不同程度的降低。因而功率因數有所提高，總諧波畸變有較大降低。

圖5? 輸入電流諧波分布對比圖

??? 實驗電路的功率因數及諧波成分的測量^[4]采用的是基于HPI/O庫建立的虛擬儀器測試平臺。該測試平臺采用IEEE-488GPIB標準^[3]，測量儀器通過數據采集卡將測量的數據傳給計算機，然后由控制軟件進行分析處理，得到詳細而精確的測量結果。功率因數采用HP交流電源分析儀圖形界面（HP AC Source GUI）測量；諧波分布采用HP諧波及閃爍測試系統（Harmonic Flicker Test System）測量^[4]。圖6及圖7為采用虛擬實驗平臺測得的電壓電流波形及電流的諧波成分直方圖。實驗條件為輸入電壓220V，各路輸出電流2A，輸出功率為75W。圖6為傳統LC濾波型電路，其功率因數為0.75，THD=62％。其奇次諧波都低于IEC1000-3-2CLASSD標準，但裕度較小，且含有較高的偶次諧波。圖7為改進型濾波電路電壓電流波形，其功率因數提高至0.79，THD=57％，雖然奇次諧波降低不多，但提高了諧波裕度，同時基本了消除偶次諧波。