开关电源功率因数校正电路原理说明

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。

有源功率因数校正（APFC）原理说明APFC 基本电路就是一种开关电源，但它与传统的开关电源的区别在于：DC/DC 变换之前没有滤波电容，电压是全波整流器输出的半波正弦脉动电压，这个正弦半波脉动直流电压和整流器的输出电流与输出的负载电压都受到实时的检测与监控，其控制的结果是达到全波整流器输入功率因数近似为 1 。

本次设计采用boost升压式电路，并采用平均电流控制法（CCM），基于功率因数校正芯片UC3854设计的。

主电路由二极管桥式整流电路与Boost升压型DC-DC变换器组成，控制电路主要由UC3854芯片组成，包括基准电压Ur、电压误差放大器V A、电路误差放大器CA、乘法器M、脉宽调制器PWM及驱动器。

具体工作过程为：输入电压Uo与基准电压Ur比较后，误差信号经过误差发达器放大后送入乘法器，与全波整流电压取样信号共同送到乘法器输入端，相乘后形成基波电流信号输出，基波电流信号与电流反馈信号经电流误差放大器CA相比较后输出信号，再与锯齿波信号相比较后形成PWM信号驱动功率开关管VT工作。

由于全波整流电压信号Udc为双半波正弦信号，稳定时电压误差放大器输出信号恒定，所以乘法器输出的基准电流信号波形和二极管桥式整流输出电压信号一致，也是双半波正弦信号，与高频的锯齿波信号比较后形成高频的PWM信号驱动开关管VT,可以迫使电感电流信号即输入电流信号在每个周期内按正弦规律变化，且与电路输入电压信号同相位，从而使输入电流跟踪输入电压，尽可能消除电流与电压的相位差，从而实现功率校正，提高功率因数，使功率因数近似为1。

采用boost升压式电路，并采用平均电流控制法（CCM）的原因:Boost 升压型变换器具有电感电流连续、储能电感能抑制RFI 和E．MI 噪声、流波形失真小、输出功率大及驱动电路简单等优点，因此常被用来作为有源功率因数正主电路拓扑。

平均电流控制法（CCM）：CCM 采用乘法器方法来实现APFC，其电路相对复杂，但工作频率固定，电感电流连续，开关管电流有效值小、EMI 滤波器体积小、输入电流波形失真小。

电器开关原理剖析：开关的电力因数改善与功率因数校正电器开关是电路中常见的组件之一，广泛应用于各个领域中。

在电器开关的使用过程中，电力因数的改善与功率因数的校正是非常重要的问题。

本文将从电器开关的基本原理、电力因数和功率因数的概念入手，分析电器开关的电力因数改善与功率因数校正的方法。

电器开关的基本原理是通过控制电路中导电部件的连接状态，实现电器的开关功能。

电器开关一般由两个导电部件组成，一个是触点，用于接通或断开电路；另一个是控制部件，用于控制触点的状态。

可以将电器开关比喻为一把大门，只有打开或关闭大门，电流才能流通或中断。

电力因数是指交流电路中实际功率和视在功率的比值，它反映了电路中非电阻性负载的耗能状况。

电力因数的改善可以有效提高电路的能效性能，减小感性、容性负载对电网的负荷。

而功率因数是指交流电路中有功功率和视在功率的比值，它反映了交流电路中的负载对电网产生的有益负荷。

功率因数的校正可以减小无功功率的损耗，提高能源利用效率。

电力因数改善的方法主要有两种，一种是通过合理设计电路，减小导致电力因数下降的因素；另一种是通过添加补偿装置，对负载进行补偿。

在电器开关中，可以采用后一种方法进行电力因数改善。

常见的补偿装置有电容器、电感器和无功功率补偿装置。

电容器是一种具有电容的器件，它可以储存电荷并在电路中释放。

在电器开关电路中，通过并联连接电容器，可以在交流电路中增加电容性负载，从而提高电路的电力因数。

电感器是由一定数量的线圈或线圈组合构成的电感元件，通过串联连接电感器，可以在交流电路中增加电感性负载，从而改善电路的电力因数。

功率因数校正的方法也有两种，一种是通过改变负载的性质来调整功率因数；另一种是通过添加功率因数校正装置来实现校正。

对于电器开关来说，常用的功率因数校正装置有静态无功功率补偿装置和动态无功功率补偿装置。

静态无功功率补偿装置通过电容器和电感器的组合，自动补偿电路中的无功功率，从而改善功率因数。

开关电源功率因素校正（PFC）及其工作原理什么是功率因数补偿，什么是功率因数校正：功率因数补偿：在上世纪五十年代，已经针对具有感性负载的交流用电器具的电压和电流不同相（图1）从而引起的供电效率低下提出了改进方法（由于感性负载的电流滞后所加电压，由于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电容器用以调整其该用电器具的电压、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）。

用电容器并连在感性负载，利用其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来使总的特性接近于阻性，从而改善效率低下的方法叫功率因数补偿（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而在上世纪80年代起，用电器具大量的采用效率高的开关电源，由于开关电源都是在整流后用一个大容量的滤波电容，使该用电器具的负载特性呈现容性，这就造成了交流220V在对该用电器具供电时，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（1800），整流二极管的导通角大大的小于1800甚至只有300－700，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的波形畸变（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）。

功率因数校正原理及相关IC1概述近年来，随着电子技术的发展，对各种办公自动化设备，家用电器，计算机的需求逐年增加。

这些设备的内部，都需要一个将市电转换为直流的电源部分。

在这个转换过程中，会产生大量的谐波电流，使电力系统遭受污染。

作为限制标准，IEC发布了IEC1000 3 2；欧美日各国也颁布实施了各自的标准。

为此谐波电流的抑制及功率因数校正是电源设计者的一个重要的课题。

2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(TotalHarmonicDistortion)：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％。

开关电源功率因数的校正技术作者：江涛来源：《电子技术与软件工程》2015年第16期摘要从不同角度来说，功率因数校正（PFC）技术有着不同分类方法，若从电网供电的的方式来看，就可分为单相PFC电路与三相PFC电路，若从校正机理来看，又可分为无源功率因数校正（PPFC）与有源功率因数校正（APFC）两种。

故文章从开关电源的PFC原理分析入手，对单相与三相PFC技术作一简要分析。

【关键词】开关电源功率因素校正技术1 开关电源功率因素校正技术原理以电视机为例，因其选用了高效开关电源，而在开关电源内部的电源输入部分，均使用了二极管全波整流与滤波电路，这种情况下，若不加入任何滤波电路到整流滤波中，仅仅只是足性负载，那么，输入电路就是正弦波，其同电源电压为同一相位，且功率因数也是1，故功率因数校正电路，本质上就是把整流电路同滤波电路分开，使得整流电路从电容性负载转变成电阻性负载。

2 功率因素校正技术分析2.1 单相PFC技术当前，在市场上使用比较多的多半是单相高频开关电源，而若按照拓扑结构来分，单相有源功率因素校正（APFC）主要可分为单级模式与两级模式两种，且不同模式的PFC技术有所不同。

其中，单级PFC技术，就是把有源PFC转换器与DC/DC转换器有机融合在一起，如图1所示，通过这样一种单级PFC技术，可相对减少成本与电路重量、体积，提高运行效率。

加之单级PFC电路还有着以下三个优点：其一，PFC级同DC/DC级合用1个开关管与控制电路，简便了电路设计，减少了硬件成本；其二，变换中可提供了不同参数的电压与电流比；其三，因功率可实现一次性变化，故可靠性较好，功率较高，也正是因为这样优点，使得单级PFC电路被广泛应用。

而关于两级PFC，其电路主要由两级转换器构成，一个PFC转换器，用于提高电路输出功率因数，控制输入电流高次谐波，一个是DC/DC转换器，用于调整输出，使之同当前负载相匹配。

而该技术实现方法也有很多，即于通信用大功率开关整流器中，主要是通过在主电路内输入整流与功率转换电路间串如一个校正环节（Boost PFC电路），如图2所示。

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。