2 kW 有源功率因数校正电路设计
概述：有源功率因数校正可减少用电设备对电网的谐波污染，提高电器
设备输入端的功率因数。详细分析有源功率因数校正APFC(active power factor corrector)原理，采用平均电流控制模式控制原理，设计一种2 kW 有源功率因数校正电路。实验结果表明：以TDA16888 为核心的有源功率因数校
正器能在90～270 V 的宽电压输入范围内得到稳定的380 V 直流电压输出，功率因数达O．99，系统性能优越。
1 引言
目前家用电器的功率前级多采用二极管全桥整流方式，这会造成电网谐波
污染，功率因数下降，无功分量主要为高次谐波，其中三次谐波幅度约为基
波幅度的95％，五次谐波幅度约为基波幅度的70％．七次谐波幅度约为基波幅度的45％。高次谐波会对电网造成危害，使用电设备的输入端功率因数
下降，而且产生很强的电磁干扰(EMI)，对电网和其他用电设备的安全运行造
成潜在危害。
有源功率因数校正电路(Active Power Factor Corrector，APFC)可将电源的输入电流变换为与输入市电同相位的正弦波，从而提高电器设备的功率因数，
减少对电网的谐波污染。理论上，降压式(Buck)、升压式(Boost)、升／降压式(Boost-Buck)以及反激式(Flyback)等变换器拓扑都可作为APFC 的主电路。其中，Boost APFC 是简单电流型控制，功率因数值高，总谐波失真小，效率高，但输出电压高于输入电压，适用于75～2 000 W 功率电源，应用广泛。因为升压式APFC 的电感电流连续，储能电感可作为滤波器抑制射频干扰(RFI)和EMI 噪声，并防止电网对主电路的高频瞬态冲击．电路有升压斩波电路，输出电压大于输入电压峰值，电源允许的输入电压范围扩大，通常可达
功率因数PF=输入有用功功率S/输入总功率P(视在功率) 转换效率=输出额定功率(Pout)/ 输入有用功功率S×100% 有功功率=电源自身损耗（热量，机械能等）+输出功率 视在功率：即交流电压和交流电流的乘积，用公式表示为：S=UI。 也为有功功率+无功功率 P是有功功率，单位是W（瓦） Q为无功功率，单位是VAR（乏） S视在功率,单位是VA F=COSθ 被称为功率因数,PFs 上式中，S是额定输出功率，单位是VA（伏安），U是额定输出电压，单位是V，如220V、380V等；I是额定输出电流，单位是A。视在功率包括两部分：有功功率（P）和无功功率（Q），有功功率是指直接做功的部分。比如使灯发亮，使电机转动，使电子电路工作等。因为这个功率做功后都变成了热量，可以直接被人们感觉到，所以有些人就产生一个错觉，即把有功功率当成了视在功率，孰不知有功功率只是视在功率的一部分，用式表示：P=SCOS0θ=UICOSθ ＝UI·F 上式中，P是有功功率，单位是W（瓦），F=COSθ 被称为功率因数，而θ是在非线性负载时电压电流不同相时的相位差。无功功率是储藏在电路中但不直接做功的那部分功率，用式表示：Q=Ssinθ=UIsinθ。上式中，Q为无功功率，单位是var（乏）。 对于计算机和其它一切靠直流电压工作的电子电路，离开无功功率是根本无法工作的。 假如有一台计算机，当交流市电输入后进行整流，就得到脉动直流电压，若不将脉动电压进行任何工，就直接提供给计算机电路，毫无疑问，电路根本无法正常工作。虽然这时计算机的功率因数接近于1，可这又有何用呢。为了让计算机电路能正常工作，必须向其提供平滑了的直流电压。这个“平滑”工作必须由接在计算机电源整流器后面的滤波电容器C来完成。这个滤波器就像一个水库，电容器里面必须储存足够数量的电荷，在整流半波之间的空白时，使电路上的工作电压仍不间断，能保持正常电平。换句话说，即使在两个脉动半波之间无输入电能时，UC的电压电平也无显著的变化，这个功能是靠电容器内的储能来实现的，储存在电容器内的这部分能量就是无功功率。所以说，计算机是靠无功功率的支持，才能保证电路正确运用有功功率实现正常运行的 希望对你有帮助。 Chroma8000所测的效率计算疑问？ Uac=264V
2 kW 有源功率因数校正电路设计 概述：有源功率因数校正可减少用电设备对电网的谐波污染，提高电器 设备输入端的功率因数。详细分析有源功率因数校正APFC(active power factor corrector)原理，采用平均电流控制模式控制原理，设计一种2 kW 有源功率因数校正电路。实验结果表明：以TDA16888 为核心的有源功率因数校 正器能在90～270 V 的宽电压输入范围内得到稳定的380 V 直流电压输出，功率因数达O．99，系统性能优越。 1 引言 目前家用电器的功率前级多采用二极管全桥整流方式，这会造成电网谐波 污染，功率因数下降，无功分量主要为高次谐波，其中三次谐波幅度约为基 波幅度的95％，五次谐波幅度约为基波幅度的70％．七次谐波幅度约为基波幅度的45％。高次谐波会对电网造成危害，使用电设备的输入端功率因数 下降，而且产生很强的电磁干扰(EMI)，对电网和其他用电设备的安全运行造 成潜在危害。 有源功率因数校正电路(Active Power Factor Corrector，APFC)可将电源的输入电流变换为与输入市电同相位的正弦波，从而提高电器设备的功率因数， 减少对电网的谐波污染。理论上，降压式(Buck)、升压式(Boost)、升／降压式(Boost-Buck)以及反激式(Flyback)等变换器拓扑都可作为APFC 的主电路。其中，Boost APFC 是简单电流型控制，功率因数值高，总谐波失真小，效率高，但输出电压高于输入电压，适用于75～2 000 W 功率电源，应用广泛。因为升压式APFC 的电感电流连续，储能电感可作为滤波器抑制射频干扰(RFI)和EMI 噪声，并防止电网对主电路的高频瞬态冲击．电路有升压斩波电路，输出电压大于输入电压峰值，电源允许的输入电压范围扩大，通常可达
功率因数校正之基本原理 何谓工率因数？ 功率因数（power factor；pf）定义为实功（real power；P）对视在功率（apparent power；S）之比，或代表电压与电流波形所形成之相角之余弦，如图1。功率因数值可由0至1之间变化，可为电感性（延迟的、指标向上）或电容性（领先的、指标向下）。为了降低电感性之延迟，可增加电容，直到pf为1。当电压与电流波形为同相时，工率因数等于1（cos(0o)=1）。所有努力使工率因数等于1是为了使电路为纯电阻化（实功等于视在功率）。 ▲图1: 功率因数之三角关系。 实功（瓦特）可提供实际工作，此为能量转换元素（例如电能到马达转动rpm）。虚功（reactive power）乃为使实功完成实际工作所产生之磁场（损耗）。而视在功率可想成电力公司提供之总功率，如图1所示。此总功率经由电力线提供产生所需之实功。 当电压与电流皆为正弦波时，如前述定义之功率因数（简称为功因）为电压与电流波形之对应相角，但大部份之电源供应器之输入电流乃非正弦波。当电压为正弦波而电流为非正弦波时，则功因包括两个因素：1)相角位移因素，2)波形失真因素。等式1表示相角位移与波形失真因素之于功因的关系。 ----------------------------------------------------(1)
Irms(1)为电流之主成份，Irms电流之均方根值。因此功率因数校正线路是为了使电流失真最小，且使电流与电压同相。 当功因不等于1时，电流波形没有跟随电压波形，不但有功率损耗，且其产生之谐波透过电力线干扰到连接同一电力线之其它装置。功因越接近1，几乎所有功率皆包含于主频率，其谐波越接近零。 ■了解规范 EN61000-3-2对交流输入电流至第40次谐波规范。而其class D对适用设备之发射有严格之限制（图2）。其class A要求则较宽松（图3）。 ▲图2:电压与电流波形同相且PF=1(Class D)。
定稿日期：２００８－０２－１８ 作者简介：黄海宏（１９７３－），男，江西省清江人，副教授， 研究方向为电力电子和传动方面。 １引言 直流操作电源系统是发电厂、变电站中不可缺少的二次设备之一，由整流电源、蓄电池组和馈电部分组成。通常情况下，整流电源的作用是ＡＣ／ＤＣ变换，在对蓄电池组充电的同时，通过馈电部分向直流负荷供电；在交流停电时，蓄电池组通过馈电部分向直流负荷供电，以保证直流负荷不停电。目前，直流操作电源普遍采用高频开关电源模块并联运行方式，与传统的晶闸管相控电源相比，其技术指标优异，如稳压、稳流精度高，纹波系数低，易与阀控密封铅酸蓄电池组一起组成直流电源成套装置。由于开关电源输入端有整流、电容平波电路，使其输入电流 呈尖脉冲状，功率因数通常只有０．６～０．７， 会对电网造成谐波污染，造成电力公害，干扰其他用电设备，使测量仪表产生较大误差。为降低电源装置对电网的污染，电力用开关电源需加功率因数校正电路。 ２有源功率因数校正基本原理 目前，功率因数校正有无源功率因数校正（ＲＰＦＣ）和有源功率因数校正（ＡＰＦＣ）两种。ＲＰＦＣ方法是在输入端加入电感量很大的低频电感，并降低滤波电容的容量，以减小滤波电容充电电流的尖峰，校正后的功率因数能达到０．９以上，一般用于三相输入的大功率开关电源模块［１］。 ＡＰＦＣ的基本思路是在输入端加入高频功率开 关管及相应的控制器，如图１所示。控制器通过采集交流输入电压、输入电流和输出电压信号，利用输出电压控制环的输出ｕｏ（ｔ）与输入整流后的电压ｕＡＣ（ｔ） 相乘，得到一个电流参考信号ｉｒｅｆ（ｔ） ，用于控制功率管ＶＴ的导通和关断，使得电感Ｌ电流ｉＬ波形跟踪 ｉｒｅｆ（ｔ）波形，从而使输入交流平均值波形跟随输入电压波形，成为与输入电压同相位的近似正弦波，而且可使功率因数接近于１，同时使输出电压ｕｏ（ｔ）得到控制［２］。目前，国内ＡＰＦＣ方法主要用于单相输入的开关电源模块，其中采用ＵＣ３８５４作为ＡＰＦＣ的控 制用集成电路较为普遍。 ３数字控制ＡＰＦＣ电路 随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术得到了迅速发展。数字控制使得电力电子变换控制更为灵活，在ＣＰＵ计算速度允许的情况下，可以实现模拟控制难以做到的复杂控制算法，即使在控制对象改变的情况下，也无需修改控制器硬件，而只需修改某些参数，因此增强了系统的兼容性。由于数字控制所采用的ＣＰＵ计算速度决定了数字控制系统的适用场合，故现在的数字控制多被用于 数字控制有源功率因数校正器的设计 黄海宏１，王海欣１，高 格２，付 鹏２ （１．合肥工业大学，安徽合肥２３０００９；２．中国科学院等离子体物理研究所，安徽合肥２３００３１） 摘要：直流电源系统是变电站的重要组成设备，它可为负载提供不间断电源，因此要求应用于直流电源的高频开关 电源模块必须具备功率因数校正功能。利用Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ新型号ＭＣ５６Ｆ８０２５的高性能特性，完成了基于ＤＳＰ的具有软开关特性的数字控制有源功率因数校正（ＡｃｔｉｖｅＰｏｗｅｒＦａｃｔｏｒＣｏｒｒｅｃｔｉｏｎ， 简称ＡＰＦＣ）电路的设计，描述了系统设计过程。最后通过２．２ｋＷ的实验样机验证了数字控制的优良特性。 关键词：功率因数；数字控制／有源功率因数校正；开关电源；软开关中图分类号：ＴＭ７１４．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－１００Ｘ（２００８）０５－００１７－０３ ＤｅｓｉｇｎｏｆＤｉｇｉｔａｌＣｏｎｔｒｏｌＡｃｔｉｖｅＰｏｗｅｒＦａｃｔｏｒＣｏｒｒｅｃｔｉｏｎＲｅｃｔｉｆｉｅｒ ＨＵＡＮＧＨａｉ－ｈｏｎｇ１，ＷＡＮＧＨａｉ－ｘｉｎ１，ＧＡＯＧｅ２，ＦＵＰｅｎｇ２ （１．ＨｅｆｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ２３０００９，Ｃｈｉｎａ； ２．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｌａｓｍａＰｈｙｓｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ，Ｈｅｆｅｉ２３００３１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅＤＣｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｄｅｖｉｃｅｉｎｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｓ，ｉｔｃａｎｓｕｐｐｌｙｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｄｐｏｗｅｒｆｏｒｌｏａｄ，ｔｈｅｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｗｉｔｃｈｍｏｄｅｐｏｗｅｒｍｏｄｕｌｅｍｕｓｔｈａｖｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ．ＢａｓｅｄｏｎｎｅｗＤＳＰｃｈｉｐＭＣ５６Ｆ８０２５，ａｄｉｇｉｔａｌａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｒｅｃｔｉｆｉｅｒｗｉｔｈｓｏｆｔｓｗｉｔｃｈｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎｗａｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ａｔｌａｓｔａ２．２ｋＷｐｒｏｔｏｔｙｐｅｗａｓｂｕｉｌｔｔｏｖｅｒｉｆｙｔｈｅｆａｖｏｒａｂｌｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｒｅｓｕｌｔｅｄｆｒｏｍｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｔｒｏｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒ；ｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｔｒｏｌ／ａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ；ｓｗｉｔｃｈｍｏｄｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ；ｓｏｆｔｓｗｉｔｃｈｉｎｇ 图１有源功率因数校正电路框图 １７
有源功率因数校正PFC 电路主要有升压型、降压型、升压－－降压型和回扫型等 基本电路形式，其中升压型有源PFC 电路在一定输出功率下可减小输出电流，减小输 出滤波电容的容值和体积，故在电子镇流器中广泛应用。升压型有源PFC 电路在控制方法上，有电感电流断续传导模式和峰值电流控制模式。其电路原理图如图2所示。 电路工作原理如下：Q1导通时，D5截止，电容C1向负载放电；Q1截止，电感L1储能经D5对电容C1充电。由于Q1和D5交替导通，使整流器输出电流经电感L1连续。这样输入电流也连续。图中，R1取样输入电压，保证通过电感L1的电流跟随输入电压按正弦规律变化，通过L1的高频电流包络正比于输入电压，其平均电流呈正弦波形，使输入电流呈正弦波；R2取样输出电压，控制APFC 控制器的输出 占空比，稳定输出电压。 目前，APFC 专用芯片很多，在电子镇流器中应用广泛，具体电路不做详细介绍，可参阅参考文献。 4 利用自振荡半桥PWM 驱动器设计的APFC 电路 在某些自振荡半桥PWM 驱动器电路中，可以利用PWM 驱动器输出固定频率的 脉冲来作APFC 控制，这里介绍两种典型电路。 4．1利用自振荡输出波形控制的APFC 电路 电路原理图如图3所示。
升压电感L1、二极管D5、电容C2和开关管Q3等组成APFC 电路。由于PWM 驱动器U1输出脉冲的频率和占空比都是固定的，Q3导通时，D5截止，C2向负载放电；Q3截止时，电感L1产生的突变电势使D5正向偏置而导通，电感 L1通过D5向C2和负载释放储能，此时整流二极管电流经电感L1连续，使输入电流波形连续，呈正弦波形，可将线路功率因数提高到0．95以上，使输入电流总谐波失真度（THD ）降低到10％以下。 4．2 利用自振荡PWM 驱动器的定时电路 图3利用自振荡PWM 驱动器输出波形控制的APFC 原理电路图图4利用自振荡PWM 驱动器的定时器设计的APFC 原理电路图和波形图设计的APFC 电路自振荡半桥PWM 驱动器的振荡器是一个类似555的定时振荡器，CT 端为锯齿波，可以用一电路产生同频、占空比可调的APFC 电路。其原理电路如图4所示。 自振荡PWM 驱动器的CT 端波形为锯齿波，送到比较器U2的正端；将直流输出 电压分压送到比较器U2的负端。当C 点的电压小于D 点时，E 点为高电平，Q4导通；当B 点为高电平时，F 点为高电平，Q3导通，电感L1储能，电容C2向后级供电。当C 点电压高于D 点时，E 点为低点平，不论F 点电平状态，Q4截止，Q3截止，电感L1经 D5向C2和后级释放储能。这样二极管电流经电感L1连续，各点相关波形如图4（B ）所示。从波形上可以看出F 点波形脉冲宽度小于A 或B ，而且可调，但小于50％；通过 调整R1、R2的分压比，可调整输出电压和输出功率，构成可调输出电路，这在开关电源和电子镇流器中有较广泛的应用。 5 利用TOPSwitch 开关构成的APFC 电路
功率因数（Power Factor是衡量电气设备效率高低的一个系数。它的大小与电路的负荷性质有关，如白炽灯泡、电阻炉等电阻负荷的功率因数为1，一般具有电感性负载的电路功率因数都小于1。功率因数低，说明无功功率大，从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。 关于功率因数的讨论网上也有不少文章，但很多人仍然对一些概念存有误解，这将为系统的设计带来诸多危害，有必要在此再加以澄清。 一、功率因数的由来和含义 在电气领域的负载有三个基本品种：电阻、电容和电感。电阻是消耗功率的器件，电容和电感是储存功率的器件。日常所用的交流电在纯电阻负载上的电压和电流是同相位的，即相位差q = 0°，如图1(a)所示；交流电在纯电容负载上的电压和电流关系是电流超前电压90°(q =90°)，如图1(b)所示；交流电在纯电感负载上的电压和电流关系是电流滞后电压90°(q = -90°)，如图1(c)所示。
图1 不同性质负载上的电流电压关系 功率因数的定义是： (1) 在电阻负载上的有功功率就是视在功率，即二者相等，所以功率因数F=1。而在纯电容和纯电感负载上的电流和电压相位差90°，所以所以功率因数F=cosq = cos90°=0，即在纯电容和纯电感负载上的有功功率为零。 从这里可以看出一个问题，同样是一个电源，对于不同性质的负载其输出的功率的大小和性质也不同，因此可以说负载的性质决定着电源的输出。换言之，电源的输出不取决于电源的本身，就像一座水塔的供水水流取决于水龙头的开启程度。 从上面的讨论可以看出，功率因数是表征负载性质和大小的一个参数。而且一般说一个负载只有一种性质，就像一个人只有一个身份证号码一样。这种性质的确定是从负载的输入端看进去，称为负载的输入功率因数。一个负载电路完成了，它的输入功率因数也就定了。
ＰＦＣ开关电源功率因数校正原理 ＰＦＣ开关电源功率因数校正原理 一、什么是功率因数补偿，什么是功率因数校正： 功率因数的定义为有功功率与视在功率的比值． 功率因素补偿:这项技术主要是针对因具有感性负载的交流用电器具的电压和电流不同相(图1)而引起的供电效率低下,提出的改进方法(由于感性负载的电流滞后所加电压,电压和电流的相位不同,使供电线路的负担加重,导致供电线路效率下降,这就要求在感性用电器具上并联一个性质相反的电抗元件.用以调整该用电器具的电压、电流相位特性.例如:当时要求所使用的40W日光灯必须并联一个4.75μF的电容器).用电容器并联在感性负载的两端,利用电容上电流超前电压的特性,用以补偿电感上电流滞后电压的特性,使总的特性接近于阻性,从而改善效率低下的方法叫做功率因数补偿(交流电的功率因数可以用电源电压与负载电流两者相位角的余弦函数值cosφ表示)。 图1 在具有感性负载中供电线路中电压和电流的波形
常规开关电源功率因数低是由于开关电源都是在整流后,用一个大容量的滤波电容使输出电压平滑,因此负载特性呈现容性.这就造成了交流220V在整流后,由于滤波电容的充、放电作用,在其两端的直流电压上出现略呈锯齿波的纹波.滤波电容上电压的最小值远非为零,与其最大值(纹波峰值)相差并不多. 图2 全波整流电压和AC输入电流波形 因为根据整流二极管的单向导电性,只有在AC线路电压瞬时值高于滤波电容上的电压时,整流二极管才会因正向偏置而导通,而当AC输入电压瞬时值低于滤波电容上的电压时,整流二极管因反向偏置而截止.也就是说,在AC线路电压的每个半周期内,只是在其峰值附近,二极管才会导通.虽然AC输入电压仍大体保持正弦波波形,但AC输入电流却呈高幅值的尖峰脉冲,如图2所示.这种严重失真的电流波形含有大量的谐波成份,引起线路功率因数严重下降. 在正半个周期内(180o),整流二极管的导通角大大小于180o,甚至只有30o～70o.由于要保证负载功率的要求,在极窄的导通角期间,会产生极大的导通电流,使供电电路中的供电电流呈脉冲状态.它不仅降低了供电的效率,更为严重的是,它在供电线路容量不足或电路负载较大时,会产生严重的交流电压波形畸变(图3),并产生多次谐波,从而干扰了其它用电器具的正常工作(这就是电磁干扰－EMI和电磁兼容－EMC问题)。
无源功率因数校正电路的原理和应用 摘要:本文介绍SIEMENS公司提出的开关电源集成控制器TDA16846无源功率因数校正(PFC)电路原理及其在电视机开关电源中的应用。功率因数的改善是基于一个特殊的由电感,电容及二极管组成的充电泵电路,该电路在功率管的高压端兼起吸收缓冲作用,因此它具有输入谐波电流分量小,PF值高以及EMI小、电路简单、成本低和可靠性高等优点。这为电视机厂家提供了一个高效价廉的解决电源谐波问题的新方案。 关键词:开关电源功率因数校正 一、引言 众所周知,目前电视机和大部分通用电器都广泛地从交流电网中提取电能经整流后变成直流电供全机使用,AC电源经桥式整流后常接一个滤波平整电容。由于该电容的存在,使整流臂的导通时间小于半个周期,因而做成输入电源电压是正弦形,而输入电流却是正负交替的脉冲形。后者导致大量电流谐波特别是三次谐波的产生,这既构成对电网效能的干扰和损害,又降低了本机功率因数,为此，我国跟欧美各国一样，已于去年12月1日起正式实施限制功耗大于75W的通用电器产品输入谐波电流的新规定。面对这种新情况,当前各电器厂家都必须考虑更新产品中的电源设备,尤其是对25英寸以上的彩色电视机,过去国内产品绝大部分都没有安装PFC电路,其PF值一般在0.55～0.65之间,输入电流谐波分量往往超出国家限定的标准,因此改进电源电路,增加PFC功能以便降低电视机的输入电流谐波分量是各厂家的当务之急。 本文介绍由SIEMENS公司推出的与开关电源集成控制器TDA16846配合使用的一个无源功率因数校正(PFC)电路,该电路能将电源PF值提高到0.9以上,与有源PFC电路相比,它明显地具有结构简单,成本低,可靠性高,和EMI小等优点,因此对电视机厂家来说,不失为一个有效的解决电源谐波问题的可行方案。 二、无源PFC电路工作原理介绍 图1示出一个不含PFC的标准型电源电路的输入电压Vm和输入电流Im波形,Im只在Vm为正最大和负最大的一小段时间内流通,在这些时间以外,Im为零。这是因为此时的正弦电压输入值小于泸波电容上的电压,导致整流二极管不导通的缘故。
有源功率因数校正 编辑锁定 本词条由“科普中国”百科科学词条编写与应用工作项目审核。 有源功率因数校正是指通过有源电路（主动电路）让输入功率因数提高，控制开关器件让输入电流波形跟随输入电压波形，相对于无源功率因数校正电路（被动电路）通过加电感和电容要复杂一些，功率因数的改善要好些，但成本要高一些，可靠性也会降低。 中文名 有源功率因数校正 性质 技术 优点 功率因数的改善要好些 缺点 成本要高一些，可靠性也会降低 目录 1. 1校正电路分类 2. 2工作原理 有源功率因数校正校正电路分类 编辑 常用有源功率因数校正电路分为连续电流模式控制型与非连续电流模式控制型两类。其中，连续电流模式控制型主要有升压型（Boost）、降压型（Buck）、升降压型（Buck-Boost）之分；非连续电流模式控制型有正激型（Forward）、反激型（Fly back）之分。[1] 有源功率因数校正工作原理 编辑 升压型PFC电路 升压型PFC主电路如图所示，其工作过程如下：当开关管Q导通时，电流IL流过电感线圈L，在电感线圈未饱和前，电流线性增加，电能以磁能的形式储存在电感线圈中，此时，电容C放电为负载提供能量；当Q截止时，L两端产生自感电动势VL，以保持电流方向不变。这样，VL与电源VIN串联向电容和负载供电。
升压型PFC主电路 这种电路的优点是：（1）输入电流完全连续，并且在整个输人电压的正弦周期内都可以调制，因此可获得很高的功率因数；（2）电感电流即为输入电流，容易调节；（3）开关管栅极驱动信号地与输出共地，驱动简单；（4）输入电流连续，开关管的电流峰值较小，对输入电压变化适应性强，适用于电网电压变化特别大的场合。主要缺点是输出电压比较高，且不能利用开关管实现输出短路保护。 降压型PFC电路 降压型PFC电路如图所示，其工作过程如下：当开关管Q导通时，电流IL流过电感线圈，在电感线圈未饱和前，电流IL线性增加；当开关管Q关断时，L两端产生自感电动势，向电容和负载供电。由于变换器输出电压小于电源电压，故称为降压变换器。 降压型PFC主电路 （1）这种电路的主要优点是：开关管所受的最大电压为输人电压的最大值，因此开关管的电压应力较小；当后级短路时，可以利用开关管实现输出短路保护。 （2）该电路的主要缺点是：由于只有在输人电压高于输出电压时，该电路才能工作，所以在每个正弦周期中，该电路有一段因输人电压低而不能正常工作，输出电压较低，在相同功率等级时，后级DC/DC变换器电流应力较大；开关管门极驱动信号地与输出地不同，驱动较复杂，加之输人电流断续，功率因数不可能提高很多，因此很少被采用。 升降压型PFC电路 升降压型PFC电路如图所示，其工作过程如下：当开关管Q导通时，电流IIN流过电感线圈，L储能，此时电容C放电为负载提供能量；当Q断开时，IL有减小趋势，L中产生的自感电动势使二极管D正偏导通，L释放其储存的能量，向电容C和负载供电。 图3升压型PFC主电路 （1）该电路的优点是既可对输人电压升压又可以降压，因此在整个输入正弦周期都可以连续工作；该电路输出电压选择范围较大，可根据一级的不同要求设计；利用开关管可实现输出短路保护。
1、什么是功率因数校正(PFC)? 功率因数指的是有效功率与总耗电量(视在功率)之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量(视在功率)的比值。基本上功率因数可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因数值越大，代表其电力利用率越高。开关电源供应器上的功率因数校正器的运作原理是去控制调整交流电电流输入的时间与波型，使其与直流电电压波型尽可能一致，让功率因数趋近于。这对于电力需求量大到某一个水准的电子设备而言是很重要的, 否则电力设备系统消耗的电力可能超出其规格，极可能干扰铜系统的其它电子设备。一般状况下, 电子设备没有功率因数校正(Power Factor Correction, PFC)时其PF值约只有0.5。 PFC的英文全称为“Power Factor Correction”，意思是“功率因数校正”，功率因数指的是有效功率与总耗电量(视在功率)之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量(视在功率)的比值。基本上功率因素可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因素值越大，代表其电力利用率越高。计算机开关电源是一种电容输入型电路，其电流和电压之间的相位差会造成交换功率的损失，此时便需要PFC电路提高功率因数。目前的PFC有两种，一种为被动式PFC（也称无源PFC）和主动式PFC（也称有源式PFC）。 PFC打个形象的比方：一个啤酒杯的容积是一定的，就好比是视在功率，可是你倒啤酒的时候很猛，就多了不少的泡沫，这就是无功功率，杯底的啤酒其实很少，这些就是有功功率。这时候酒杯的利用率就很低，相当于电源的功率因数就很小。PFC的加入就是要减少输入侧的无功功率，提高电网的利用率，对于普通的工业用电来讲是把电流的相位与电压的相位调整到一块了，对于开关电源来讲是把严重畸变了的交流侧输入电流变成正弦，另外还有降低低次谐波的功能，因为输入的电流是正弦了。 2、为什么我们需要PFC? 功率因素校正的好处包含: 1. 节省电费 2. 增加电力系统容量 3. 稳定电流 低功率因数即代表低的电力效能，越低的功率因数值代表越高比例的电力在配送网络中耗损，若较低的功率因数没有被校正提升，电力公司除了有效功率外，还要提供与工作非相关的虚功，这导致需要更大的发电机、转换机、输送工具、缆线及额外的配送系统等事实上可被省略的设施，以弥补损耗的不足。有PFC 功能的电子设备配可以帮助改善自身能源使用率，减少电费，PFC也是一种环保科技，可以有效减低造成电力污染之谐波，是对社会全体有益的功能。 PFC电源供应器是如何帮助节省能源? 藉由降低您的电力设备必须传输的电压-电流，以提供一台电源供应器至少所需的供电量。因为产生较少无用的谐波(只会替交流电运输系统增加不必要的负担)，让电力的消耗减少。 什么是谐波? 谐波是一种噪音形式，基本上是由复合的60个循环正弦波组合而成的频率所造成。他们通常发生在电源供应器及其它包括计算机在内等多种频率相关机器。谐波会扭曲基本的正弦波波型, 也会在同一系统的水线及接地线造成偏高的电流。[注: 美国的电源线,有3个pins,就是(Live,火线)-(Neutral,水线)-(Ground,地线)] 有哪些国家规定PFC为电子设备的标准配备? 2001年一月，欧盟正式对电子设备谐波有详细规范，规定凡输出在75W~600W范围间之电子设备产品，都必须通过谐波测试[Harmonics test(EN 61000-3-2)]，测量待测物对电力系统所产生的谐波干扰；中国大陆自2002年5月起，规范凡政府机关采购之电子设备，皆将功率因数校正(PFC)视为电子设备的标准配备功能；日本已着手研拟关于节约电力的各项方案，这是一种未来的趋势，相信在不久的将来，其它国家将陆续跟进。 什么是主动式/被动式功率因数校正(Active/Passive PFC)? 被动式PFC，使用由电感、电容等组合而成的电路来降低谐波电流，其输入电流为低频的50Hz到60Hz，因
功率因数与效率的区别 尽管功率因数和转换效率都是指电源的利用率， 但区别却很大。功率因素是输入视在功率与输入有功功率之比，与效率无关的，功率因数越大表示无功量就小；它是电源对电网的利用率。电源效率是输入有功功率与输出有功功率之比，效率越高表示机电的损耗就小；它指的是转换效率，就是你这个LED灯泡是5W，但是你把这整个灯接上就不是5W，电源本身也要耗电，这个效率就是多少点是真正让灯泡用了，多少是无用的。当然效率越高越好。简单的说，功率因数产生的损耗是电力部门负担，而转换效率的损耗是用户自己负担。一般来讲，功率因数与本设备的效率并没有必然的、直接的联系，但是，功率因数低了的话，会大量占用供电设备的容量，增加电路损耗，提高供电成本。比如，同样是1KW的电器，如果功率因数是0.9，那么占用供电系统的容量 1/0.9=1.1KvA，如果功率因数是0.5，那么占用供电系统的容量是1/0.5=2KVA。因为后者的线路电流较前者大了近一倍，所以线路损耗增加了近三倍。所以使用高功率因数设备的意义在于节约供电设备容量和减少线路损耗。效率，通俗地说就是吃了多少饭，干了多少活。比如一个电源，测得输入的功率是220W，又测得输出各路电压的总功率是190W，那么其效率190/220=86.4%。其效率还是很高的。如果换用一个低效率的电源，由于无论使用什么电源，电脑的实际需要是一定的，仍是190W，但这时测得输入的功率是280W，那么这个电源的效率是190/280=67.9%。很显然，两个效率不同的电源，电脑的工作都是一样的，不同的是，后一个电源比前一个电源多耗电280-220=60W。多了这60W，全部转化为热能，由风扇排出了。如果你有测温的工具，可以明显测出这两个电源工作温度和排出空气的温度是明显不同的。使用高效率的电源，对用户而言，可以节省电费，对供电企业，意义是节省供电设备的容量，减少供电设备的压力电源测量仪是各种生产或测量各种低压电源（常见的是开关电源，灯具电源、等等）的通用仪表，可以测各种参数，包括功率因数、输出电压、输出电流、电源效率、纹波、视在功率、有功功率、无功功率，等等。LED常常是用低压直流工作，所以它有一个电源，用来将交流变成低压直流，称为：“驱动器”，或“电源”。电源效率：是衡量输入电源的交流有功功率，有多少转化为直流功率了（有发热损耗等等）。发光效率：是指电能（或功率）转换成光能的转换效率，用lm/瓦来衡量，就是说同样的电能，
功率因数校正(英文缩写是PFC)是 目前比较流行的一个专业术语。PFC 是在20世纪80年代发展起来的一项新技术，其背景源于离线开关电源的迅速发展和荧光灯交流电子镇流器的广泛应用。PFC 电路的作用不仅仅是提高线路或系统的功率因数，更重要的是可以解决电磁干扰(EMI)和电磁兼容(EMC)问题。 线路功率因数降低的原因及危害 导致功率因数降低的原因有两个，一个是线路电压与电流之间的相位角中，另一个是电流或电压的波形失真。前一个原因人们是比较熟悉的。而后者在电工学等书籍中却从未涉及。 功率因数(PF)定义为有功功率(P)与视在功率(S)之比值，即PF=P/S 。对于线路电压和电流均为正弦波波形并且二者相位角Φ时，功率因数PF 即为COS Φ。由于很多家用电器(如排风扇、抽油烟机等)和电气设备是既有电阻又有电抗的阻抗负载，所以才会存在着电压与电流之间的相位角Φ。这类电感性负载的功率因数都较低(一般为0.5-0.6)，说明交流(AC)电源设备的额定容量不能充分利用，输出大量的无功功率，致使输电效率降低。为提高负载功率因数，往往采取补偿措施。最简单的方法是在电感性负载两端并联电容器，这种方法称为并联补偿。 PFC 方案完全不同于传统的“功率因数补偿”，它是针对非正弦电流波形而采取的提高线路功率因数、迫使AC 线路电流追踪电压波形的瞬时变化轨迹，并使电流与电压保持同相位，使系统呈纯电阻性的技术措施。 长期以来，像开关型电源和电子镇流器等产品，都是采用桥式整流和大容量电容滤波电路来实现AC-DC 转换的。由于滤波电容的充、放电作用，在其两端的直流电压出现略呈锯齿波的纹波。滤波电容上电压的最小值远非为零，与其最大值(纹波峰值)相差并不多。根据桥式整流二极管的单向导电性，只有在AC 线路电压瞬时值高于滤波电容上的电压时，整流二极管才会因正向偏置而导通，而当AC 输入电压瞬时值低于滤波电容上 的电压时，整流二极管因反向偏置而截止。也就是说，在AC 线路电压的每个半周期内，只是在其峰值附近，二极管才会导通(导通角约为70°)。虽然AC 输入电压仍大体保持正弦波波形，但AC 输入电流却呈高幅值的尖峰脉冲，如图l 所示。这种严重失真的电流波形含有大量的谐波成份，引起线路功率因数严重下降。若AC 输入电流基波与输入电压之间的位移角是Φ1，根据傅里叶分析，功率因数PF 与电流总谐波失真(度)THD 之间存在下面关系： 而是由二极管、电阻、电容和电感等无源元件组成。无源PFC 电路有很多类型，其中比较简单的无源PFC 电路由三只二极管和两只电容组成，如图2所示。这种无源PFC 电路的工作原理是：当50Hz 的AC 线路电压按正弦规律由0向峰值V m 变化的1/4周期内(即在0 有源功率因数校正 一、功率因数的定义 功率因数PF 定义为：功率因数（PF ）是指交流输入有功功率（P ）与输入视在功率（S ）的比值。 PF ＝S P ＝R L L I U I U φcos 1=R I I 1cos φ= γcos φ （1） 式中： γ：基波因数，即基波电流有效值I 1与电网电流有效值I R 之比。 I R ：电网电流有效值 I 1：基波电流有效值 U L ：电网电压有效值 cos Φ：基波电流与基波电压的位移因数 在线性电路中，无谐波电流，电网电流有效值I R 与基波电流有效值I 1相等， 基波因数γ=1，所以PF ＝γ·cos Φ＝1·cos Φ＝cos Φ。当线性电路且为纯电阻性负载时，PF ＝γ·cos Φ＝1·1＝1。 二、有源功率因数校正技术 1．有源功率因数校正分类 （1）按电路结构分为：降压式、升/降压式、反激式、升压式（boost ）。 其中升压式为简单电流型控制，PF 值高，总谐波失真（THD ：Total Harmonic Distortion ）小，效率高，适用于75W~2000W 功率范围的应用场合，应用最为广泛。它具有以下优点： ● 电路中的电感L 适用于电流型控制 ● 由于升压型APFC 的预调整作用在输出电容器C 上保持高电压，所以电容器C 体积小、储能大 ● 在整个交流输入电压变化范围内能保持很高的功率因数 ● 输入电流连续，并且在APFC 开关瞬间输入电流小，易于EMI 滤波 ● 升压电感L 能阻止快速的电压、电流瞬变，提高了电路工作可靠性 （2）按输入电流的控制原理分为：平均电流型（工作频率固定，输入电流 连续）、滞后电流型、峰值电流型、电压控制型。 图1 输入电流波形图 其中平均电流型的主要有点如下： ●恒频控制 ●工作在电感电流连续状态，开关管电流有效值小、EMI滤波器体积小。 ●能抑制开关噪声 ●输入电流波形失真小 主要缺点是： ●控制电路复杂 ●需用乘法器和除法器 ●需检测电感电流 ●需电流控制环路 功率因数校正方案 方案一：采用数字控制 方案：采用MCU （微控制单元）或DSP（数字信号处理）通过编程控制完成系统的功率因数校正。，MCU 时刻检测输入电压、输入电流以及输出电压的值，在程序中经过一定的算法后输出PWM 控制信号，经过隔离和驱动控制开关管，从而提高输入端的功率因数。采用数字控制的优点是通过软件调整控制参数，使系统调试方便，减少了元器件的数量。缺点是软件编程困难，采样算法复杂，计算量大，难以达到很高的采样频率，此外还要注意控制器和主电路的隔离和驱动。 方案二：采用模拟控制 方案：采用专用PFC（功率因数校正）控制芯片来完成系统功率因数的校正。整流后的线电压与误差放大器处理的输出电压相乘，建立电流的参考信号，该参考信号就具有输入电压的波形，同时也具有输出电压的平均幅值。因此在电流反馈信号的作用下，误差放大器控制的PWM 信号基本变化规律是成正弦规律变化的，于是得到一个正弦变化的平均电流，其相位与输入电压相同，达到功率因数校正的目的。该方案的优点是，使用专用IC 芯片，简单直接，无需软件编程。缺点是电路调试麻烦，易受噪声干扰。模拟PFC 控制是当前的工业选择，且技术成熟，成本低，使用方便。通过比较，系统选用方案二，采用TI 公司专用PFC 控制芯片UCC28019 来完成功率因数的校正。 方案一：LC校正电路根据电感电流不能突变的原理，整流后采用LCC滤波电路,可在一定程度上提高功率因素PF，一般可达0.8～0.9。优点是电路简单、可靠性高、成本低、EMI（电磁干扰）小；缺点是体积大、重量重，电感损耗较大，PF很难接近1。 方案二：填谷式PF校正电路使用电容C1～C2及二极管D5～D7构成填谷式滤波电路，扩展了整流二极管电流波形导通角θ，二极管D6后可串联浪涌电流限制电阻R，可将PF提高到0.8～0.9之间。该电路优点：体积略小于LC校正电路，可靠性高，EMI小，PF也容易达到0.85以上；缺点是输出功率小，只能用在输出功率小于25W的AC-DC变换器中，损耗相对较大，输入电压允许变化范围小，一般不超过15%。电路原理图如图2.1所示。 2.1 填谷式电路 方案三：有源功率因素校正(APFC)电路在整流器与负载之间插入具有特定功能的DC-DC变换器，使输入电流波形尽可能接近正弦波，构成有源功率因素校正电路（APFC）。该技术优点是：电路体积小，校正后的PF接近1；输入电压变化范围大，目前支持全电压范围(90V～265V)的APFC电路技术非常成熟、应用也很普及，因此在输出功率为20W～300W的AC-DC 变换器中使用APFC电路来改善电流波形THD（总谐波失真）参数较为合适。缺点是：该电 负荷计算 是根据已知工厂的已知工厂的用电设备安装容量来确定预期不变的最大假象负荷。它是按发热条件选择工厂电力系统供电线路的导线截面、变压器容量、开关电器及互感器等的额定参数的依据，所以非常重要。如估算过高，将增加供电设备的容量，使工厂电网负责、浪费有色金属，增加初投资和运行管理工作量。特别是由于工厂企业是国家电力的主要用户，以不合理的工厂电力需要量作为基础的国家电力系统的建设，将给整个国民经济建设带来很大的危害。但是如果估算过低，又会使工厂投入生产后，供电系统的线路及电器设备由于承担不了实际负荷电流过热，加速其绝缘老化的速度，降低使用寿命，增大电能损耗，影响供电系统的正常可靠运行。因此，我们在设计时必须认真确定。 负荷计算的方法： 我国目前普遍采用的确定计算负荷的方法有需要系数法和二项式法。需要系数法的优点是简便，适用于全厂和车间变电所负荷的计算，二项式法适用于机加工车间，有较大容量设备影响的干线和分支干线的负荷计算。但在确定设备台数较少而设备容量差别悬殊的分支干线的计算负荷时，采用二项式法较之采用需要系数法合理，且计算也较简便。 需要系数法的主要步骤： （1）将用电设备分组，求出各组用电设备的总额定容量。 （2）查出各组用电设备相应需要系数及对应的功率因数。 （3）用需要系数法求车间或全厂的计算负荷时，需要在各级配电点乘以同期系数K。 机械厂负荷统计表 计算公式： 有功功率 P30= Pe*Kx(kW) 无功功率 Q30= P30*Tan Φ(kVar) 视在功率 S30= P30/ Cos Φ(KVA) 计算电流 I30= S30/（√3*UN)(A) 1.金工车间 (1)动力: 17.1tan ,65.0cos ,3.0,360====??d e K KW P (2)照明： 0tan ,0.1cos ,9.0,10====??d K KW Pe 2.工具车间 （1）动力： 17.1tan ,65.0cos ,3.0,360====??d e K KW P (2)照明： 0tan ,0.1cos ,9.0,10====??d K KW Pe 3.电镀车间: （1）动力：75.0tan ,8.0cos ,6.0,310====??d e K KW P (2)照明： 0tan ,0.1cos ,9.0,10====??d K KW Pe 4.热处理车间： （1）动力： 75.0tan ,8.0cos ,6.0,260====??d e K KW P （2）照明：0tan ,0.1cos ,9.0,10====??d K KW Pe 5.装配车间： （1）动力：查表1得，88.0tan ,75.0cos ,4.0,260====??d e K KW P （2）照明： 0tan ,0.1cos ,9.0,10====??d K KW Pe 6.机修车间： （1）动力： 02.1tan ,70.0cos ,3.0,180====??d e K KW P （2）照明： 0tan ,0.1cos ,9.0,5====??d K KW Pe 7.锅炉房： （1）动力：02.1tan ,70.0cos ,6.0,180====??d e K KW P （2）照明： 0tan ,0.1cos ,9.0,2====??d K KW Pe 8.仓库: （1）动力： 02.1tan ,70.0cos ,3.0,130====??d e K KW P （2）照明： 0tan ,0.1cos ,9.0,2====??d K KW Pe有源功率因数校正 总结
功率因数校正控制方案
负荷计算和功率因数
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