功率因數(shù)校正原理及相關(guān)IC

1概述

近年來(lái)，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)各種辦公自動(dòng)化設(shè)備，家用電器，計(jì)算機(jī)的需求逐年增加。這些設(shè)備的內(nèi)部，都需要一個(gè)將市電轉(zhuǎn)換為直流的電源部分。在這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，會(huì)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(zhǔn)，IEC發(fā)布了IEC1000?3?2；歐美日各國(guó)也頒布實(shí)施了各自的標(biāo)準(zhǔn)。為此諧波電流的抑制及功率因數(shù)校正是電源設(shè)計(jì)者的一個(gè)重要的課題。

2高次諧波及功率因數(shù)校正

一般開(kāi)關(guān)電源的輸入整流電路為圖1所示：

市電經(jīng)整流后對(duì)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(lái)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(jiàn)圖3的波峰處。它對(duì)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(guò)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(méi)有被利用的無(wú)效功率則在電網(wǎng)與電源設(shè)備之間往返流動(dòng)，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(jiàn)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(jiàn)，抑制諧波分量即可達(dá)到減小THD，提高功率因數(shù)的目的。因此可以說(shuō)諧波的抑制電路即功率因數(shù)校正電路(實(shí)際上有所區(qū)別)。

3功率因數(shù)校正的實(shí)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(guò)電路方法，將輸入電流波形校正為或使無(wú)限接近正弦波,即可實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。

有很多的電路方式可以實(shí)現(xiàn)這一目的，比如說(shuō)在電路中加入一個(gè)大電感（見(jiàn)圖4），使整流管的導(dǎo)通角變大。這種方法雖然簡(jiǎn)單，價(jià)格低，但存在體積大，重量大，且效果不好(PF小于80％)等缺點(diǎn)。

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(jiàn)圖5。

3．1主電路

由一個(gè)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(shí)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(shí)間長(zhǎng)，可實(shí)現(xiàn)WorldWild電壓輸入，及輸入電流連續(xù)EMI小等諸多優(yōu)點(diǎn)，大部分功率因數(shù)校正都采用它來(lái)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(kāi)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(gè)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(shí)現(xiàn)諧波的抑制。原理如下:

（1）乘法器MPX包含2個(gè)輸入，一個(gè)是通過(guò)電阻Ra檢測(cè)輸入電壓，作為基準(zhǔn)的正弦波信號(hào)。只要做到使輸入電流波形與此一致，即可達(dá)到目的。乘法器的另一個(gè)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(hào)，見(jiàn)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(hào)為基準(zhǔn)正弦波電流與電壓誤差放大器EV輸出的積，它通過(guò)電阻Rb，產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)電壓。該信號(hào)電壓與由電阻Rc檢測(cè)到的主電路電流的信號(hào)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(dòng)器DRIVER，主電路及Ra形成一個(gè)閉環(huán)控制。使兩者的差無(wú)限接近于零。也就是說(shuō)電阻Rb上的信號(hào)電壓與電阻Rc上的信號(hào)電壓相同，以達(dá)到電源的輸入電流波形無(wú)限接近于基準(zhǔn)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(guò)PWM控制，改變開(kāi)關(guān)的占空比，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電流的校正；

（3）一個(gè)PFC里面有2個(gè)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(shí)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(jì)參數(shù)有:開(kāi)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(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正后的電源，其輸入電流的波形，見(jiàn)圖7。功率因數(shù)達(dá)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(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)

扼流線圈的選取會(huì)影響到輸出紋波電流的大小，及其它電路設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)頻率。

用來(lái)檢測(cè)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(jí)。

IC的2腳，4腳間及12腳，13腳間接入RC相位補(bǔ)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(yǔ)

作為限制諧波電流的對(duì)策而導(dǎo)入的功率因數(shù)校正，對(duì)其小型化，高效率，低價(jià)格，噪音小的要求將會(huì)越來(lái)越苛刻，特別是對(duì)其低噪音化在國(guó)外已經(jīng)成為一個(gè)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(kāi)發(fā)和應(yīng)用，如UNITRODE公司的UC3852等。改善和創(chuàng)新永無(wú)止境。