1、高次谐波及功率因数校正

一般开关电源的输入整流电路为图1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2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：I=(1)

式中：I1，I2，…In，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,我们将各次谐波有效值与基波有效值的比称之为总谐波畸变THD：

THD=(2)

用来衡量电网的污染程度。脉冲状电流使正弦电压波形发生畸变，见图3的波峰处。它对自身及同一系统的其它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；

——引起电话网噪音；

——引起照明设备的障碍，如荧光灯闪灭；

——造成变电站的电容，扼流圈的过热、烧损。

功率因数定义为PF=有效功率/视在功率,是指被有效利用的功率的百分比。没有被利用的无效功率则在电网与电源设备之间往返流动，不仅增加线路损耗，而且成为污染源。

设电容输入型电路的输入电压e为：

e(t)=Em·sinω0t(3)

图1电容输入型电路

图2电容输入型电路的输入电流,5A/DIV

图3输入电压波形发生畸变

入电流i为：i(t)=Imk·sin(kω0t)(4)

则有效功率Pac为：

Pac=e(t)·i(t)dt=Em·Im1/2=E·I1而视在功率Pap为：

Pap=E·I因此：

PF=Pac/Pap=I1/I=(5)

电流波形为图2的电源功率因数只有62.4％。由式(2)、(5)可见功率因数与总谐波畸变THD的关系为:PF=1/(6)

从式(2)、式(5)可见，抑制谐波分量即可达到减小THD，提高功率因数的目的。因此可以说谐波的抑制电路即功率因数校正电路(实际上有所区别)。

2、功率因数校正的实现方法

综上所述，只要设法抑制输入电流中的谐波分量，通过电路方法，将输入电流波形校正为或使无限接近正弦波,即可实现功率因数校正。

有很多的电路方式可以实现这一目的，比如说在电路中加入一个大电感（见图4），使整流管的导通角变大。这种方法虽然简单，价格低，但存在体积大，重量大，且效果不好(PF小于80％)等缺点。

下面以东芝公司的功率因数校正控制ICTA8310F为例，介绍一种有源功率因数校正方法。电路原理图见图5。

2．1、主电路

由一个全桥整流器和升压型BOOST变换器构成，虽然其它的变换器BUCK,FLYBACK等也可以实现这一功能，但是由于BOOST变换器具有输出电容小断电保持时间长，可实现WorldWild电压输入，及输入电流连续EMI小等诸多优点，大部分功率因数校正都采用它来作为主电路。

Vout=Vin/（1－D）（7）

式中：Vin为输入电压的有效值；

D为开关管FET的占空比。

主电路参数为：输入178～264Va.c.；

输出380Vd.c.；

最大输出功率608W。

2．2、PFC控制电路

为图5的虚线框中部分，主要包含一个乘法器MPX，电流误差放大器EI及PWM比较器。三者协调工作，将系统的输入电流校正为正弦波，实现谐波的抑制。原理如下:

（1）乘法器MPX包含2个输入，一个是通过电阻Ra检测输入电压，作为基准的正弦波信号。只要做到使输入电流波形与此一致，即可达到目的。乘法器的另一个输入是电压误差放大器EV的输出端，作为输出稳压的控制信号，见下述（3）。乘法器为电流输入型，不易受噪音干扰；

图4扼流圈输入型电路

图5有源功率因数校正电路原理图（原图，未做格式处理）

图6电感线圈L的电流波形示意图

图7功率因数改善后的输入电流波形,2A/DIV

（2）乘法器的输出电流信号为基准正弦波电流与电压误差放大器EV输出的积，它通过电阻Rb，产生一个信号电压。该信号电压与由电阻Rc检测到的主电路电流的信号电压之差输入到电流误差放大器EI，而EI与PWM比较器，驱动器DRIVER，主电路及Ra形成一个闭环控制。使两者的差无限接近于零。也就是说电阻Rb上的信号电压与电阻Rc上的信号电压相同，以达到电源的输入电流波形无限接近于基准正弦波的目的。

为了更容易理解，可放大示波器X轴量程，观察输入电流IL的波形，如图6所示，通过PWM控制，改变开关的占空比，来实现对输入电流的校正；

（3）一个PFC里面有2个闭环控制回路，其一就是上述的（1）、（2），我们称之为电流控制环。它实现功率因数校正。其二是由电压误差放大器EV，乘法器MPX，EI，PWM比较器，DRIVER，主电路及Ra构成的电压控制环，它使输出电压稳定在380Vd.c.。

主要设计参数有:开关频率f=95kHz；

功率因数PF=99.2％；

效率η=95.4％。

EMC:符合VCCIA,FCCA,VDEA,DOCA,及EN55022。

实现功率因数校正后的电源，其输入电流的波形，见图7。功率因数达到99.2％，THD只有0.127。与图2比较，电流波形已得到明显的校正。

3．3设计时的注意事项

扼流线圈的选取会影响到输出纹波电流的大小，及其它电路设计参数。应保证它有足够大的饱和电流，而其值L为：L=·Vmin2/（2··Pout·f）(8)

式中：Vmin为最小输入电压的峰值；

Vout为输出电压；

ΔIL为扼流线圈上的纹波电流峰峰值；

IPmax为输入电流的峰值；

Pout为输出功率；

f为电源开关频率。

用来检测电流的主电路上的Rc应当选用额定功率大的电阻，且阻值应尽量小，一般在几十mΩ级。

IC的2脚，4脚间及12脚，13脚间接入RC相位补偿网络，合适的选值可以使系统更稳定，并可减小输出电压纹波。

3、结语

作为限制谐波电流的对策而导入的功率因数校正，对其小型化，高效率，低价格，噪音小的要求将会越来越苛刻，特别是对其低噪音化在国外已经成为一个重要的课题，利用谐振技术的PFC控制IC也已经得到了开发和应用，如UNITRODE公司的UC3852等。改善和创新永无止境。