②开关整流电路

对开关整流电路而言，AD/DC前端通常由桥式整流器和大容量滤波器组成如图1-3所示。在这种电路中，只有当线路的峰值电压大于滤波电容两端的电压时，整流元件中才有电流流过，如图1-4所示。输入电流i呈尖脉冲形式(u为输入电压)，且产生一系列奇次谐波(图1-5)，致使功率因数降低，为0.6～0.7。所以，对开关整流电路而言，不良功率因数主要源于电流波形的畸变。

图1-3AD/DC前端电路图

图1-4输入电压与整流二极管波形图

图1-4输出谐波分量图

（5）谐波电流对电网的危害

脉冲状的输入电流，含有大量谐波，同时在AC/DA整流输入端需加滤波电路，增加了体积和成本。谐波电流对电网的危害主要表现在以下几个方面。

① 谐波电流的“二次效应”，即电流流过线路阻抗造成谐波压降，反过来使电网电压波形(原来是正弦波)也发生畸变。

② 由谐波电流引起电路故障，损坏设备。如使线路和配电设备过热，谐波电流还会引起电网LC谐振，或者高次谐波电流流过电网的高压电容，使之过流、过热导致电容器损坏。

③在三相四线制电路中，三次谐波与中线中的电流同相位，合成中线电流很大，可能超过相电流，中线又无保护装置，使中性线因过流而导致中性线过热而引起火灾并损坏电器设备。

④谐波电流对自身及同一系统的其他电子设备产生恶劣的影响，如)引起电子设备的误操作，如空调停止工作等；引起电话网噪声；引起照明设备故障，如荧光灯闪灭；造成变电站的电容，扼流圈的过热、烧损。

(6)开关电源的功率因数

开关电源以其效率高、功率密度高而在电源领域中占主导地位，开关电源多数是通过整流器与电力网相接的，经典的整流器是由二极管或晶闸管组成的一个非线性电路，在电网中会产生大量的电流谐波和无功功率而污染电网，成为电力公害。传统的开关电源存在一个致命的弱点，即功率因数较低，一般仅为0.45～0.75，而且其无功分量基本上为高次谐波，其中三次谐波的幅度约为基波幅度的95%，五次谐波的幅度约为基波幅度的70%，七次谐波的幅度约为基波幅度的45%，九次谐波的幅度约为基波幅度25%。

开关电源已成为电网最主要的谐波源之一，针对高次谐波的危害，从”//)年起国际上开始以立法的形式限制高次谐波，传统的开关电源在此限制之列。我国国家技术监督局在1993年颁布了国家标准GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》。国际电工委员会(InternationalElectrotechnicalCommissionIEC)于1998年对谐波标准IEC5552进行了修正，另外还制定了IEC61000-3-2标准，其A类标准对电网谐波的要求见表1-3。传统整流器因谐波远远超标而面临前所未有的挑战。

表1-3IEC61000-3-2A类标准对电网谐波的要求

谐波次数

最大允许谐波电流值/A

奇次

3

2.3

5

1.14

7

0.77

9

0.40

11

0.33

13

0.21

15～39

0.15×15/n

偶次

2

1.08

4

0.43

6

0.30

8～40

0.23n

抑制开关电源产生谐波的方法主要有两种：一是被动法，即采用无源滤波或有源滤波电路来旁路或滤除谐波；二是主动法，即设计新一代高性能整流器，它具有输入电流为正弦波、谐波含量低、功率因数高等特点，即具有功率因数校正功能。国外改善开关电源功率因数的研发工作的重点，主要是在功率因数校正电路的拓扑结构和功率因数校正控制IC(如UC3842～UC3855A系列,KA7524,TDA4814)的开发等领域展开研发工作。国内一些厂家也做了类似的工作，采用功率因数校正电路的开关电源，其功率因数可达到0.95～0.99近似于1。近年来功率因数校正电路得到了很大的发展，为电力电子学研究的重要方向之一。

常规开关电源的功率因数低的根源是整流电路后的滤波电容使输出电压平滑，但却使输入电流变为尖脉冲，如图1-6所示，而整流电路后面不加滤波电路，仅为电阻性负载时，输入电流即为正弦波，并且与电源电压同相位，功率因数为1。

于是功率因数校正电路的基本思想是将整流器与滤波电容隔开，使整流电路由电容性负载变为电阻性负载。在功率因数校正电路中，其隔离型电路如图1-7所示。但这种电路结构不能实现输入与输出的电隔离。

图1-6常规开关电源输入电压与输入电流波形

图1-7基本隔离型PFC电路

图1-8电容输入的电路

新型低污染、高效率、低应力、低输出纹波开关电源主要包括EMI及浪涌吸收滤波电路，前级有源软开关功率因数校正电路，相移谐振软开关DC/DC变换电路及输出纹波抑制电路等。

一般开关电源的输入整流电路如图1-8所示，市电经整流后对电容充电，其输入电流波形为不连续的脉冲，如图1-9所示。这种电流除了基波分量外，还含有大量的谐波，其有效值I为：

式中，分别表示输入电流的基波分量与各次谐波分量。

谐波电流使电力系统的电压波形发生畸变，将各次谐波有效值与基波有效值的比称之为总谐波畸变(TotalHarmonicDistortion，THD)其表达式为：

THD=

显然，无论是从电流的最小化还是减小对其他设备的干扰角度来看，对每个谐波设定限制可以更好地完成控制输入电流“污染”的任务。

（1）功率因数校正的基本原理

由功率因数PF==1可知，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=1，所以所以PF=。

②使输入电流正弦化。即=I1(谐波为零),有/I1=1。

利用功率因数校正技术可以使交流输入电流波形完全跟踪交流输入电压波形，使输入电流波形呈纯正弦波，并且和输入电压同相位，此时整流器的负载可等效为纯电阻，所以有的地方又把功率因数校正电路叫做电阻仿真器。

功率因数校正电路，基本上是一个AC/DC变换器。一个标准的变换器利用脉冲波宽度调变(PulseWidthModulation,PWM)来调整输入功率的大小，以供应适当的负载所需的功率，脉冲波宽度调变器控制切换开关(通常利用功率MOSFET来达成)将DC输入电压切成一串电压脉冲波，随后利用变压器和快速二极管将其转成平滑的DC电压输出，这个输出电压随即与一个参考电压(这个电压是电源供应器应该输出的标准电压值)做比较，所产生的电压差回馈至PWM控制器，利用这个误差电压信号来改变脉冲波宽度的大小，如果输出电压过高，脉冲波宽度会减小，进而使输出电压降低，以使输出电压回复至正常输出值。

PFC增加了一个更先进的器件，使得来自AC电源的电流是一个正弦波并且与AC电压同相位，此时误差电压信号的调变是由整流后的AC电压和输出电压的变化来控制，最后误差电压信号回馈至PWM控制器，也就是说当AC电压较高时PFC就从AC电源吸取较多的功率，反之若AC电压较低则吸取较少的功率，如此可以减少AC电流的谐波产生。

(2)PFC技术分类

功率因数校正电路分为有源和无源两类，无源校正电路通常由大容量的电感、电容组成。虽然无源功率因数校正电路得到的功率因数不如有源功率因数校正电路高，但仍然可以使功率因数提高到0.7～0.8，因而在中小功率电源中被广泛采用。无源PFC，电路的结构也较为简单，实际上是采用矽钢片制成的工频电感，它利用电感线圈内部电流不能突变的原理调节电路中的电压及电流的相位差，使电流趋向于正弦化以提高功率因数。无源PFC结构笨重，工作时常带有低频振动并引发低频噪声，相对于有源PFC电路，无源PFC的功率因数要低得多，一般只有70%左右。无源PFC固有的不可克服的缺点如下。

① 当欧洲的谐波规范越来越严格时，电感量产的质量需提升，而生产难度将提高。

② 电源重量和体积增加。

③ 如电源内部结构固定的不正确，电感容易产生振动噪声。

④ 当电源功率超过300W以上，无源PFC，在材料成本及产品性能表现上将突出其不可克服的多种的缺陷。

有源功率因数校正电路自20世纪90年代以来得到了迅速推广，它是在桥式整流器与输出电容滤波器之间加入一个功率变换电路，使功率因数接近1。有源PFC具有体积小、重量轻的特点，通过专用IC去调整电流的波形，对电流电压间的相位差进行补偿。

有源PFC，可以达到较高的功率因数，通常可达98%以上，具有输入电压范围宽等优越的电气性能，但成本也相对较高。此外，有源PFC，还可用作辅助电源，因此在使用有源PFC中，往往不需要待机变压器，而且有源PFC，输出直流电压的纹波很小，这种电源不必采用很大容量的滤波电容。与无源PFC类似，有源PFC，工作时也会产生噪声，只不过是高频噪声。相对于无源PFC，有源PFC复杂，成本较无源PFC，要高得多，有源PFC工作于高频开关状态，体积小、重量轻，比无源

功率因数校正电路效率高。主要应用于中高端电源产品。相对于无源PFC，有源PFC，具有的优点如下。

① 校正效果远优于欧洲的。3谐波规范，即便未来规格更趋严格也都能符合规定。

② 随着IC器件需求增加，成本将随之降低。

③ 能以较低成本带来全域电压的高附加价值。

④ 功率因数接近完美的100%，使电力利用率极佳化，对环保有益。

⑤ 随着未来CPU的发展趋势，输出瓦数(电力)要求将越来越高，有源PFC，因成本不随输出瓦数增加而上升，故拥有较好竞争力。