开关电源的功率因素校正方法

功率因数校正摘要：提高功率因数是开关电源一个重要指标，由UC3854构成的控制电路有电路简单、成本低、功率密度高，在中小功率场合得到了广泛应用。

关键词：功率因数乘法器UC3854引言国际标准IEC555――2中关于谐波限制标准和电磁兼容（EMC 法规对传统采用的桥式整流和大电容量滤波电路从工频市电变换为直流电源的方法提出了限制。

这是因为该交流/直流变换方式不仅输出电压极不稳定，效率很低，负载功率被限制在2KW以下，而且更主要的是会导制交流输入电流波形出现严重畸变，功率因数在0.7以下。

随着绿色电子产品的发展，近年来功率因数校正(PFC)技术获得了广泛的应用。

象开关电源、电子镇流器和变频调速器等产品，采用PFC技术日益成为强制性的要求。

第一章有源功率因数校正技术1.1：有源功率因数校正电路组成有源功率因数校正APFC是抑制电流谐波，提高功率因数最有效的方法，其原理框图如图1所示。

交流输入电压经全波整流后，再经DC/DC变换，通过相应的控制使输入电流的平均值自动跟随全波整流电压基准，同时保持输出电压稳定。

APFC电路有两个反馈控制环：输入电流环使DC/DC变压器的输入电流与全波整流电压波形相同，输出电压环使DC/DC变换器的输出电压稳定。

1.2: 主电路的拓扑结构APFC的主电路拓扑结构采用DC/DC开关变换器。

其中升压式(BOOST)变换器由于电感连续、储能电感也作滤波器抑制RFI和EMI噪声、电流波形失真小、输出功率大及共源极使驱动电路简单等优点，常常作为主电路的拓扑形式。

第二章1800W 100KH PFC 电路设计(原理图见附图)2.1: 性能指标输入：AC220V±15% 50±2HZ输出功率：POUT=1800W输出电压：V OUT=400V开关频率：F S=100KH。

2．2: 主电路的设计1．电感的设计电感在PFC电路设计中相当重要，它决定了输入电流中高频纹波电流的多少。

有关功率因数校正方面的知识总结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。

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。

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）。

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。