有源功率因数校正技术及控制方式分析_张浩

有源功率因数校正技术及控制方式分析摘要：本文深入探讨了有源功率因数校正技术及其控制方式，重点分析了不同类型的APFC电路的工作原理和性能特点，以及控制策略在改善系统性能中的作用。

通过对几种典型APFC电路的实验分析，本文展示了APFC在提高电力电子设备效率、减小谐波污染方面的巨大潜力。

关键词：有源功率因数校正；控制方式；电力电子一、引言随着电力电子技术的迅猛发展，大量非线性负载如开关电源、变频器等被广泛应用，导致电网中谐波含量增加，功率因数降低。

为了解决这一问题，有源功率因数校正技术（APFC)应运而生。

APFC技术不仅可以提高电力电子设备的功率因数，还能减小谐波对电网的污染。

二、有源功率因数校正技术原理及分类1.功率因数及有源功率因数校正的基本概念(1)功率因数是电力系统中非常重要的一个参数，它表示了电压和电流之间的相位差。

在电力系统中，功率因数的大小直接影响到系统的效率和稳定性。

当功率因数大于0时，表示电压超前电流，即正功率；当功率因数等于0时，表示电压和电流同相，即零功率；当功率因数小于0时，表示电压滞后电流，即负功率[1]。

(2)有源功率因数校正是一种电力电子学中的技术，它通过控制电源的相位差来调整系统的功率因数。

这种技术可以有效地提高系统的效率和稳定性，减少系统的损耗。

有源功率因数校正的基本原理是利用一个可控的电源，通过控制这个电源的相位差，来调整系统的功率因数[2]。

2.有源功率因数校正技术分类及其工作原理(1)APFC电路（AC-DC Power Factor Correction Circuit）是一种用于校正交流电压波形的电路，其作用是将交流电压转换成直流电压，以便于后续的电压调节和稳定。

APFC电路的分类有多种，根据不同的应用场景和需求，可以分为不同的类型。

(2)另外一种常见的APFC电路是电流控制型APFC电路。

电流控制型APFC电路的工作原理是通过对输入电流的控制来实现对输出电压的校正和调节。

自己总结有源功率因数校正 APFC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＝＝=cos= cos （1）式中：：基波因数，即基波电流有效值I1与电网电流有效值IR之比。

I R：电网电流有效值 I1：基波电流有效值 UL：电网电压有效值cosΦ：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IR与基波电流有效值I1相等，基波因数=1，所以PF＝cosΦ＝1cosΦ＝cosΦ。

当线性电路且为纯电阻性负载时，PF＝cosΦ＝11＝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：l 电路中的电感L适用于电流型控制l 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l 在整个交流输入电压变化范围内能保持很高的功率因数l 输入电流连续，并且在APFC 开关瞬间输入电流小，易于EMI滤波l 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：l 恒频控制 l 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。

l 能抑制开关噪声 l 输入电流波形失真小主要缺点是：l 控制电路复杂l 需用乘法器和除法器 l 需检测电感电流l 需电流控制环路（3）按输入电流的工作模式分为：连续导通模式CCM(Continuous Conduction Mode)和不连续导通模式DCM(Discontinuous Conduction Mode)。

有源功率因数校正电路的研究与实现有源功率因数校正电路是一种用于改善电力系统功率因数的电路。

在传统的电力系统中，负载电流与电网电压不同步的情况会导致功率因数下降，这不仅会造成电网能量的浪费，还会对电力设备的正常运行造成影响。

因此，有源功率因数校正电路的研究与实现具有重要的意义。

有源功率因数校正电路主要由功率因数校正控制器、整流器和逆变器组成。

其中，整流器将交流电转换为直流电，并通过功率因数校正控制器控制逆变器的工作方式，使其能够提供与负载的需求相匹配的电流和功率因数。

逆变器将直流电转换为交流电，并输出给负载。

第一，功率因数校正控制器的设计与实现。

功率因数校正控制器是有源功率因数校正电路的核心部分，负责监测电网电压和负载电流，并控制逆变器的工作方式。

为了实现精确的功率因数校正，功率因数校正控制器需要具备高精度的测量和计算能力。

第二，整流器的设计与实现。

整流器负责将交流电转换为直流电，并为逆变器提供稳定的直流电源。

为了实现高效的能量转换和低谐波扰乱，整流器需要具备高效的功率调整和滤波功能。

第三，逆变器的设计与实现。

逆变器负责将直流电转换为交流电，并输出给负载。

为了实现高质量的交流电输出，逆变器需要具备高精度的调制和滤波功能。

第四，性能评估与实验验证。

为了验证有源功率因数校正电路的性能，需要进行实验验证。

通过对电路的输出波形、功率因数等参数进行测试和分析，可以评估电路的性能，并对其进行优化改进。

在研究与实现有源功率因数校正电路的过程中，需要考虑电路的稳定性、可靠性和成本效益等因素。

实现高精度的功率因数校正需要采用高性能的电子元器件和控制算法，这会增加电路的成本。

因此，在设计电路时需要进行合理的选型和优化，以实现性能与成本的平衡。

总的来说，有源功率因数校正电路的研究与实现对于提高电力系统的能效和稳定性具有重要的意义。

通过优化设计和控制算法，可以有效地改善电力系统的功率因数，提高电网能量的利用率，并减少对电力设备的影响。

有源功率因数校正的分类一、引言有源功率因数校正是一种电力质量控制技术，它可以通过控制电网中的电流和电压来实现功率因数的校正。

在现代工业生产中，有源功率因数校正已经成为了一项重要的技术手段。

本文将介绍有源功率因数校正的分类。

二、静态有源功率因数校正静态有源功率因数校正是通过使用静态电子元器件来实现的。

其主要原理是利用晶闸管等器件对电网中的电流进行调节，从而达到调整功率因数的目的。

静态有源功率因数校正具有响应速度快、效果稳定等优点，但是其缺点也很明显，即成本较高。

三、动态有源功率因数校正动态有源功率因数校正则是通过使用交流电机等动力设备来实现的。

其主要原理是利用交流电机等设备对电网中的电流进行调节，从而达到调整功率因数的目的。

动态有源功率因数校正具有响应速度快、效果稳定等优点，并且成本相对较低。

四、混合型有源功率因数校正混合型有源功率因数校正是将静态有源功率因数校正和动态有源功率因数校正相结合的一种方式。

其主要原理是在电网中同时使用静态电子元器件和交流电机等设备，从而达到调整功率因数的目的。

混合型有源功率因数校正具有响应速度快、效果稳定、成本相对较低等优点，但是其实现难度也相对较大。

五、无刷直流电机型有源功率因数校正无刷直流电机型有源功率因数校正是一种新兴的技术手段。

其主要原理是利用无刷直流电机对电网中的电流进行调节，从而达到调整功率因数的目的。

无刷直流电机型有源功率因数校正具有响应速度快、效果稳定、成本相对较低等优点，并且能够实现高效能转换。

六、总结本文介绍了几种常见的有源功率因数校正分类方法，包括静态有源功率因数校正、动态有源功率因数校正、混合型有源功率因数校正和无刷直流电机型有源功率因数校正。

每种方法都有其特点和适用范围，需要根据具体情况选择合适的方法进行应用。

有源功率因数校正技术及发展趋势O 引言传统的用于电子设备前端的二极管整流器，作为一个谐波电流源，干扰电网线电压，产生向四周辐射和沿导线传播的电磁干扰，导致电源的利用效率下降。

近几年来，为了符合国际电工委员会61000-3-2的谐波准则，功率因数校正电路正越来越引起人们的注意。

功率因数校正技术从早期的无源电路发展到现在的有源电路；从传统的线性控制方法发展到非线性控制方法，新的拓扑和技术不断涌现。

本文归纳和总结了现在有源功率因数校正的主要技术和发展趋势。

1 功率因数(PF)的定义功率因数(PF)是指交流输入有功功率(P)与输入视在功率(S)的比值。

即式中：I1为输入基波电流有效值；为输入电流失真系数；Irms为输入电流有效值；cosφ为基波电压与基波电流之间的相移因数。

可见PF由γ和cosφ决定。

cosφ低，则表示用电电器设备的无功功率大，设备利用率低，导线、变压器绕组损耗大。

γ值低，则表示输入电流谐波分量大，对电网造成污染，严重时，对三相四线制供电还会造成中线电位偏移，致使用电电器设备损坏。

由于常规整流装置使用晶闸管或二极管，整流器件的导通角远小于180°，从而产生大量谐波电流成分，而谐波电流不做功，只有基波电流做功，功率因数很低。

全桥整流器电压和电流波形图如图1所示。

2 功率因数校正实现方法由式(1)可知，要提高功率因数有两个途径，即使输入电压、输入电流同相位；使输入电流正弦化。

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。

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o．7~0．8，因而在中小功率电源中被广泛采用。

有源功率因数校正电路自上世纪90年代以来得到了迅速推广。

一种有源功率因数校正电路及控制方法的设计摘要：从开关变换器的基本拓扑结构出发，寻找简单和方便的控制方式。

根据正向输出的Buck-Boost变换器工作的基本原理，提出了一种新的功率因数校正电路结构，给出了相应的控制方法，并对其进行了仿真。

该电路能够利用电压跟随的方式实现PFC。

由于该电路能够实现降压输出，因此降低了对所有功率开关管的耐压要求，有利于提高变换器的转换效率并降低成本。

关键词：功率因数校正；控制；仿真；有源功率因数校正有源功率因数校正技术的研究主要集中在电路拓扑、控制策略和建模分析等方面。

其中电路拓扑的研究除了电力电子技术中的基本变换器结构外，还针对一些特殊的拓扑结构。

利用这些拓扑结构本身特性构成所需要的PFC变换器，以实现提高电路性能，降低成本的目的。

控制策略的研究则主要是针对特定的拓扑结构，通过不同的数学和建模分析，寻找最优或最合适的控制方法，以提高整体电路的性能，简化控制电路，降低成本。

此外，改进开关器件的性能，也可以从整体上提高电路的性能。

在实际应用中，针对不同的应用场合，对有源功率因数校正电路的要求也是多种多样的。

Boost型电路以其控制简单，电流纹波较小等优点得到了广泛应用。

从实现PFC的控制策略上来看，又以DCM模式下的变频控制法和CCM模式下的平均电流控制法应用最为广泛，并且在市面上己经有了商用的PFC控制芯片出售。

本文的目的是从开关变换器基本的拓扑结构出发，寻找简单和方便的控制方式。

根据正向输出的Buck-Boost变换器工作的基本原理，提出了一种新的功率因数校正电路结构，并给出了相应的控制方式。

该电路能够利用电压跟随的方式实现PFC。

由于该电路能够实现降压输出，因而降低了对所有功率开关管的耐压要求，有利于提高变换器的转换效率和降低成本。

1 Boost PFC变换器电路设计要求本文内容来源于对一项军用车载电源的研究设计，该设计的主要设计指标如下。

（1）输入特性。

市电：154~264 V，50±3 Hz；4.5 kW汽油发电机：154~264 V，50±3 Hz；外28 V： DC 28 V 3.5 kW，蓄电池组：DC 24 V/200 Ah。

开关电源功率因数的有源校正技术
过玉清
【期刊名称】《集成电路应用》
【年(卷),期】1993(000)003
【摘要】随着开关电源的迅速普及,其功率因数较低对电网产生的不利影响也引起了人们的重视。

为此,近年来又开发了所谓的“有源校正”技术,用以提高开关电源的功率因数,并已有专用的集成器件问世。

另一方面,国际电工委员会(IEC)在最近制订的IEC555-2这一标准中,对各类交流电气设备电源电流所含的谐波成分怍了严格限制,预定自1992年起逐步推行。

可以料想,该标准的实施,必然又会有力促进有源校正技术的推广应用。

有鉴于此,本文将从开关电源的功率因数、IEC555-2的有关内容、有源校正的基本方法以及集成器件的结构原理等四个方面,对开关电源校正技术作一简要介绍。

【总页数】4页(P7-10)
【作者】过玉清
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】TN86
【相关文献】
1.有源功率因数校正技术在高频开关电源中的应用研究 [J], 向琼
2.开关电源的有源功率因数校正电路设计 [J], 罗凌;贾正松
3.有源功率因数校正技术在开关电源中的应用研究 [J], 毛明平;吴志红;陶生桂
4.开关电源的有源功率因数校正电路设计 [J], 徐力
5.基于有源功率因数校正的计算机开关电源设计 [J], 赵胜
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有源功率因数校正技术研究[摘要]电力电子变流装置的广泛使用给供电系统造成功率因数降低，对电网造成了谐波污染。

解决谐波污染和低功率因数问题的根本方法是从装置本身着手，通过采用新的变流电路形式和控制方法来改善装置本身的功率因数和减少交流侧电流谐波。

本文主要对有源功率因数校正电路的主电路拓扑结构、工作原理和控制技术进行了综述。

【关键词】PWM;高频整流器；控制技术1、引言电力电子变流装置的广泛使用，一方面为工业生产带来了方便，促进了电气技术领域的发展，另一方面，也给供电系统造成功率因数降低，对电网造成“谐波污染”等不利后果。

因此，如何抑制电力电子装置的谐波污染和提高其功率因数已成为电力电子技术、电气自动化技术及电力系统领域所面临的一个重大课题，并受到越来越多的关注。

解决谐波污染和低功率因数问题的基本思路有两条：一条是从装置的外部着手，对电网进行无功补偿和谐波抑制。

这对各种谐波源都是适用的；另一条是从装置本身着手，通过采用新的变流电路形式和控制方法来改善装置本身的功率因数和减少交流侧电流谐波，即开发新型的、高功率因数、不产生谐波的电力电子装置。

这种变流器称为单位功率因数变流器（Unity Power Factor Converter），也称为有源功率因数校正器APFC（Active Power Factor Converter）。

80年代中期以来，国际电力电子学界对有源功率因数校正的主电路拓扑、数学模型、控制策略进行了广泛的研究，本文主要分析和介绍有源功率因数校正技术发展过程中出现的各种主电路拓扑及控制策略。

2、有源功率因数校正电路的主电路拓扑结构[1]APFC电路指在传统的不控整流桥和滤波电容之间加一级用于功率因数校正的功率变换电路，使得AC侧电流波形为正弦或接近正弦，从而提高功率因数的PWM整流电路。

按直流侧储能方式可划分为电流型和电压型两大类；按电源相数可划分为单相PFC和三相PFC；按电感电流是否连续，可分为不连续导通模式（DCM）和连续导通模式（CCM）。

有源功率因数校正技术简介摘要：随着电力电子装置的使用，电网中的谐波含量越来越多，功率因数校正技术在近些年来成为研究热点，可分为有源功率校正和无源功率校正。

其中，有源功率校正装置具有体积小、效率高等优点，本文对有源功率校正技术在buck、boost、buck-boost、flyback以及软开关等电路拓扑中的应用做了简单的介绍。

关键词：有源功率因数校正、buck、boost、buck-boost、软开关1引言近20年来电力电子技术得到了飞速的发展，已广泛应用到电力、冶金、化工、煤炭、通讯、家电等领域。

电力电子装置多数通过整流器与电力网接口，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，在电网中产生大量电流谐波和无功污染了电网，成为电力公害。

电力电子装置已成为电网最主要的谐波源之一。

20世纪90年代以来，世界上许多国家和国际组织都对电力电子产品的功率因数及谐波成分作了限制。

为了使电力电子产品的功率因数及谐波成分满足上述的规定和标准，可在整流桥和滤波电容之间加一级用于功率因数校正的功率变换电路，使输入电流为正弦波，从而提高功率因数，这就是有源功率因数校正技术。

有源功率因数校正（Active Power Factor Correction，简称APFC）技术由于变换器工作在高频开关状态，而具有体积小、重量轻、效率较高、输人电压范围宽、THD小和功率因数高等优点，因此在现代电力电子技术中得到了广泛的应用。

2 有源功率因数校正的基本原理APFC又称为有源开关型补偿法，现今得到推广的APFC是DC/DC变换型电流整形方法，由于其主体为高频DC/DC变换器，所以也称为高频APFC。

高频APFC的基本思想是：将输入交流电压进行全波整流，然后对全波直流电压进行DC/DC变换，通过适当控制，使输入电流平均值自动跟踪全波直流电压的基准，且保持输出电压稳定，从而实现恒压输出和单位功率因数。

图1有源功率因数校正原理框图图1为这种电路的原理框图，其中，整流器为单相桥式不可控整流器，主电路采用DC/DC 变换电路，控制电路内部包含有一个电压误差放大器、一个电流误差放大器、一个模拟乘法器和一个固定频率的PWM控制器。

电路中的功率因数校正提高电源效率的方法在电力系统中，功率因数是衡量电路中有功功率与视在功率之比的参数。

当功率因数接近1时，表示电路的能量利用效率较高；而功率因数较低则表示存在较大的无效功率损耗。

为了提高电源的效率，并减少对能源的浪费，采取功率因数校正措施是十分重要的。

本文将介绍几种常见的方法，来改善电路中的功率因数校正，提高电源效率。

一、有源功率因数校正方法有源功率因数校正可以通过引入有源功率电子器件，如功率因数校正控制器（PFC），来调整电路中的功率因数。

PFC根据电路的输入和输出特性，通过控制电流的相位和幅值，实现功率因数的校正。

1. 单级整流功率因数校正单级整流功率因数校正适用于直流电源和低功率交流电源。

它通过全桥整流电路将交流信号转换为直流信号，并利用功率因数校正控制器来实现功率因数的校正。

2. 多级整流功率因数校正多级整流功率因数校正适用于高功率交流电源。

它将输入交流信号分割为多个等值的部分，分别经过整流电路和功率因数校正控制器的作用后，再进行并联输出。

这样可以提高整体系统的功率因数，并减少电路中的谐波失真。

二、无源功率因数校正方法无源功率因数校正主要是通过连接电感、电容等被动元件来实现的。

它不需要额外的能源输入，是一种相对简单且经济的功率因数校正方法。

1. 电容器补偿法电容器补偿法是一种常见的无源功率因数校正方法。

通过连接电容器到电源电路中，利用电容器的电流-电压特性来改善功率因数。

电容器能够吸收无功功率，从而提高功率因数。

2. 串联电感法串联电感法也是一种无源功率因数校正方法。

通过串联电感到电源电路中，可以改变电路的阻抗特性，从而减小无功功率的流动。

此方法适用于负载有饱和磁芯材料的电路。

三、整流桥电路的谐波校正方法在电路中，整流桥电路常常会引入谐波失真，从而影响功率因数。

为了解决这个问题，可以采取以下几种谐波校正方法。

1. 调整整流桥的电路结构可以通过改变整流桥电路的结构，选择合适的二极管材料和电容电感参数等，来减少谐波失真。

有源功率因数校正电路的设计摘要将交流220V电网电压经整流后再提供直流是现实单相电源应用中较为广泛的变流方案，由于传统的二极管或晶闸管整流器会对电网产生谐波电流而危害电网，引起输入端功率因数下降，对电网造成污染；因此有源功率因数校正（APFC）技术得到了迅速的发展.它是在桥式整流器与输出电容器之间加入一个功率因数校正变换电路，它将整流器的输入电流校正成为与电网电压同相位的正弦波，消除了谐波和无功电流，因而能将电网功率因数提高到近似为 1.交流输入电压经桥式整流后，得到全波整流电压，经DC/DC变换后，再经过控制器使线路电流的平均值能自动跟随全波整流电压基准的变化，并获得稳压的直流高电压输出，最终给负载提供直流电压源.本文通过对功率因数校正电路的现状与发展进行简单的介绍，然后讨论了什么是功率因数以及功率因数的计算、功率因数校正的原理、功率因数校正电路的种类、有源功率因数校正电路的原理以及元器件L6562的简单介绍；最后设计出基于L6562升压式有源功率因数校正电路.关键词：有源功率，升压式，L6562Active power factor correction circuit designAuthor:Wei DongLiangTutor:Pang BaoTangAbstractWill ac 220 V power grid voltage after rectifying the to provide dc is one single phase power application in reality a wide range of variable current solution because the traditional thyristor rectifier diode or will to power produce harmonic current and harm power grid, cause the input power factor drops, to power cause pollution; So active power factor correction (APFC) technology obtained a rapid development. It is in the bridge rectifiers and output capacitors to join a power transformation between circuit, it will become the input current correction rectifier voltage and the sine wave with phase, eliminate the harmonic and reactive current, so the power grid power factor improvement to approximate to 1. Exchange the input voltage bridge rectifier, have the rectifier voltage wave, then the DC/DC transform, after controller make the average of the current line can automatically follow all the wave rectifier voltage change of benchmark, and won the high voltage DC voltage output, eventually provide DC voltage source to load.This article through to power factor correction circuit of the current situation and development of simply introduced, and then discuss what the power factor and power factor of calculation, power factor correction, the principle of the power factor correction circuit, the kinds of active power factor correction circuit principle and L6562 components of simple introduction; Finally designed based on L6562 booster type active power factor correction circuit.Keywords: Active power, Boost type, L6562目录1 绪论 (1)1.1背景课题及意义 (1)1.2功率因数校正的现状及发展 (2)1.2.1功率因数校正的现状 (2)1.2.2无桥PFC电路 (2)1.2.3软开关功率因数校正电路 (3)1.3论文主要安排 (3)2 设计原理 (4)2.1功率因数 (4)2.2有源功率因数校正电路 (5)2.2.1有源功率因数校正电路的原理 (5)2.2.2有源功率因数校正电路的分类 (6)2.2.3升压式有源功率因数校正电路的分析 (10)3.元器件的选择 (14)3.1L6562简介 (14)3.2L6562芯片电路图 (16)4.电路的设计 (17)4.1基于L6562的B OOST-APFC电源电路 (17)4.2B OOST-APFC电感的设计 (18)结论 (20)致谢 (21)参考文献 (22)1 绪论1.1背景课题及意义伴随着我国经济的发展，现代工业得到快速发展，各种各样的换电流设备使用越来越多、容量也越来越大，再加上一些非线性电设备也接入到电网，将其产生的谐波电流注入到电网中，使公用电网的电压波形发生畸变，严重地污染了电网的环境，造成电能质量下降，也严重地威胁着电网中各种电气设备的安全运行，因此必须限制高次谐波污染，国内外电气组织先后制定了相关标准，我国国家技术监督局1993年颁布GB/T14549-93电能质量公用电网谐波，国际电工委员会1998年也制定了IEC6100-3-2标准.目前常用的解决电力电子设备谐波污染问题的方法有两种：1.对电网采用滤波补偿；2.对电力电子设备本身进行改造，即进行功率因数校正.两者相比较，功率因数校正能够更有效地消除整流装置的谐波，具有更广泛的前景，已经成为电力电子技术的一个重要的研究方向.谐波对电网的影响：1、谐波会导致电源的有功功率降低，功率因数会降低，负载上的实际功率也会随着降低；2、谐波会引起电磁干扰和射频干扰，导致一些精密电子设备（包括电子式电能表），不能正常工作，甚至会毁坏；3、谐波将引起线路欧姆热，导致整流器过热效率下降，也会引起设备老化，缩短设备使用寿命，甚至损坏设备；4、谐波电流的存在会引起电网电压的畸变，并可能引发振荡，引起电网和用电设备的安全；5、谐波将会引起继电保护装置误动或拒动，从而直接危及电网的安全运行；6、为了弥补谐波的存在造成的附加损耗，必须增加电器、导线等的容量，从而增加了投资费用；为了减少谐波的污染，提高功率因数，设计基于L6562升压式有源功率因数校正电路，使功率因数大于0.95.1.2 功率因数校正的现状与发展1.2.1 功率因数校正的现状目前功率因数校正主要有两种方法：无源功率因数校正和有源功率因数校正.无源功率因数校正技术是指在整流电路中用LC滤波器来增大整流桥导通角，从而降低电流谐波来提高功率因数.无源功率因数校正达到的功率因数没有有源功率因数校正的高，但是比较简单，与有源功率因数校正相比比较经济，因而这种技术在中小容量的电子设备中被广泛采用.有源功率因数校正是就是通过功率因数调节装置，使电网输入电流波形完全跟踪电网输入电压波形的变化，并且保持输入电流和电压波形同相位.有源功率因数校正有体积小、重量轻、功率因数可接近1等优点.无缘功率因数和有源功率因数有不同的优势，本文的技术要求比较高，因此本文主要针对有源功率因数校正进行论述.1.2.2 无桥PFC电路无桥PFC电路用单个的变换器代替传统的由四个二极管组成的前级整流桥＋升压式PFC电路，实现AC－DC和PFC两个任务.这个电路实际上是一个双升压式电路.无桥是目前高性能功率因数校正电路研究的一个方向，图1.1为无桥PFC拓扑图.图1.1无桥PFC电路无桥PFC电路有两种工作模式：1. 开关管S1和S2同时开通或关断.电压源有正半波和负半波组成，在电源的负半波，S2导通时，电源通过S2和S1的寄生二极管对电感LB充电，S2关断时，电感通过D2、RL和S1的寄生二极管放电，该电路变成一升压式电路.当电压源在正半波时，S1导通时，电源通过S1和S2的寄生二极管对电感LB充电，S1关断时，电感通过D1、RL和S2的寄生二极管放电，该电路变成另外一升压电路.在电源的负半波，S2导通时，电源通过S2和S1的寄生二极管对电感LB充电，S2关断，电感通过D2、RL和S1的寄生二极管放电，这是另一升压式电路.2.当工作模式是：在电源的正半波，S1高频工作，S2则直通.电感LB，S1，D1和负载构成一个升压式电路.在电源的负半波，S2处于高频工作，S1处于直通.S2，D2和负载构成另一个升压式电路.第二种工作模式与第一种相比较模式控制较为简单.1.2.3 软开关功率因数校正电路改进大功率升压式电路的性能近几年在国内是比较热门的，主要集中在如何减少升压式boost电路中的二极管的反向恢复损耗和MOSFET的开通损耗，从而达到提高转换效率和减少电磁干扰的目的.升压式boost电路，输出电压总是比输入电压要大，假如输入电压为100－270V时，则输出为370－420V.在高频电力电子PFC电路中，功率二极管一般采用快恢复二极管，快恢复二极管是一种具有开关特性好、反向恢复时间较短的半导体二极管，主要应用于开关电源、PWM脉宽调制器、变频器等电子电路中，作为高频整流二极管、续流二极管或阻尼二极管使用. 快恢复二极管的内部结构与普通PN结二极管不同，属于PIN结型二极管，即在P型硅材料与N型硅材料中间增加了基区I，构成PIN硅片.因基区很薄，反向恢复电荷很小，所以快恢复二极管的反向恢复时间较短，正向压降较低，耐压值较高.软开关功率因数校正电路有很多的拓扑电路，将存在的电路统一整理，并区分不同拓扑电路的优缺点，将是研究的方向.1.3论文主要安排本文首先分析了目前国家电网存在谐波，功率低等问题，及功率因数的现状及发展，在第二章中提出功率因数校正电路的原理及分类，第三，四章介绍了元器件和提出技术指标，并最终设计出基于L6562升压式有源功率因数校正电路.2 设计原理2.1 功率因数功率因数（PF ）是指交流输入有功功率（P ）与输入视在功率（S ）的比值.1111cos cos ms msU I COS I P PF S U I I φφγφ==== （2.1） （2.1）式中：U 1：单位为伏特，表示电网电压有效值；γ：表示输入电流失真系数；I ms ：单位为安培（A ），表示为输入电流有效值；I 1：单位为安培（A ），表示输入基波电流有效值；cos φ：表示基波电流和基波电压之间的相移因数；由式子（2.1）可知功率因数也可以定义为输入电流失真系数（γ）和基波电压与基波电流相移（cos φ）的乘积，功率因数的高低跟γ、cos φ有关系，增大γ，cos φ可以提高功率因数.由式子（2.1）可知，PF 由电流失真系数γ和cos φ决定.当γ值低，则表示输入电流谐波分量大，将造成输入电流波形畸变，会对电网造成谐波污染.当cos φ低时，则表示用电气设备的无功功率大，设备利用率低，导线、变压器绕组损耗大.PF 与总的谐波畸变率THD 的关系如下：1111cos cos ms ms V I I P PF S V I I φφ==== (2.2)1THD =(2.3)= (2.4)PF φ=即 (2.5)有式子（2.5）可知，THD 对功率因数的影响，THD 越大，功率因数越低，THD 越小，功率因数越高，提高功率因数可以通过减小 THD 来达到.功率因数校正技术分为无源和有源两种，无源功率因数校正的性能比较差，达不到很好的效果，本文技术要求是功率因数大于等于0.95，因此本文只针对有源功率因数校正APFC 技术做探讨.有源功率因数校正APFC 技术的基本思想：将输入的交流进行全波整流，在整流电路与滤波电容之间加入DC/DC 变换，通过适当控制使输入电流的波形自动跟随输入电压的波形，即使整流器的输出电流跟随它输出直流脉动电压波形，且要保持贮能电容电压稳定，从而实现稳压输出和单位功率因数输入.有源功率因数校正APFC 技术，从其实现方法上来讲，就是通过功率因数调节装置，使电网输入电流波形完全跟踪电网输入电压波形的变化，并且保持输入电流和电压波形同相位，从而使得无论负载性质如何，从输入端看，负载取用的都是有用功率，是功率因数能够接近于1.由于APFC 使得电网端的功率因数接近1，减小了输入电流，降低了配电输入线的损耗，消除了用电装置的谐波分量对电网的污染，本身的工作会产生非线性，引起电网电压、电流畸变的电力电子装置，增加功率因数校正部分对电网带来的效益是明显的，但是用电器本身则会增大体积提高成本.2.2 有源功率因数校正电路2.2.1 有源功率因数校正电路的原理有源功率因数校正主要是在整流滤波和DC/DC 功率级之间串入一个有源PFC 作为前置级，用于提高功率因数和实现DC/DC级输入的预稳，用作PFC电路的功率级基本上是升压型Boost变换器，它具有效率高、电路简单、适用电源功率高等优点.有源功率因数校正电路的思想为：选择输入电压作为参考信号，使得输入电流跟踪参考信号，实现输入电流的低频分量与输入电压为一个近似的同频同相的正弦波，以提高功率因数和抑制谐波.有源功率因数校正电路原理图为图2.1.主电路由单相桥式整流器和DC—DC变换器组成，包括电压误差放大器V A，基准电压，电流误差放大器CA，乘法器M及驱动器等部分，负载可以是开关电源，也可以为电器.图2.1 有源功率因数校正电路的原理主电路的输出电压V o与基准电压比较后，再输入给V A，整流电压V dc的检测值和V A的输出电压V o信号共同加到乘法器M的输入端.M的输出作为电流反馈控制的基准信号，与开关电流i S检测值比较后，经过CA加到逻辑及驱动器上，用以控制开关VT r 的通断，使输入电流i i与V dc的波形基本一致，从而大大减少了电流谐波，提高了输入功率因数，从而保持了V o的恒定.2.2.2 有源功率因数校正电路的分类有源功率因数校正电路按电流模式可以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）三种；非连续电流模式控制型有正激型（Forward）、反激型（Fly back）两种；它们有不同的优缺点，通过对不同类型的分析，最后选择升压式做为重点研究对象，下面对上述电流模式的工作原理做简单的介绍.1、升压型PFC电路图2.2为升压型PFC主电路，工作过程主要分两种：1.开关管Q导通时，电流I L流过电感线圈L，电感线圈处于未饱和状态时，此时的电感开始以磁能的形式储存电能，电容放电给负载提供能量，图中的R为负载；2.开关管Q截止时，L自感电动势V L与电源V IN 的电流方向相同，此时V L与电源V IN 串联给电容以及负载供电.图2.2升压型PFC主电路该电路的优点是：（1）输入电流是指电感电流，操作上容易调节，在工作过程中处于连续的状态，在整个输入电压的正弦周期内都可以调制，可以得到很高的功率因数.（2）开关管栅极驱动信号地与输出共地，驱动起来比较简单；（3）开关管的电流峰值较小，对输入电压变化具有很强的适应性，适合用在电压变化比较大的电网场所.主要缺点：输出电压比较高，开关管对输出不能实现短路保护的功能.2、降压型PFC电路图2.3是降压型PFC电路，工作过程主要有两种：1.当开关管Q导通时，二极管D 处于截止状态，电流I L流过电感线圈，电感线圈处于未饱和状态时，电流I L线性增加，储存电能；2.当开关管Q关断时，L将会产生自感电动势，向电容和负载供电.因为变换器输出电压总是小于电源电压，故称为降压变换器.图2.3降压型PFC主电路该电路的主要优点是：开关管具有很弱的电压适应能力，假如后面的电路发生短路，可以起到一定的短路保护，该优点是升压式PFC没有的.该电路的主要缺点是：只有输人电压高于输出电压时，降压式PFC电路才能参加工作，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；与升压式PFC相比，开关管门极驱动信号与输出地端不同，驱动较为复杂，再加上输人电流存在断续的情况，功率因数不是很高，应用较少.3、升降压型PFC电路图2.4为升降压型PFC电路，其工作过程有两种状态：1.当开关管Q处于导通时，电流IIN流过电感线圈，二极管处于截止状态，电容C放电为负载提供能量，电感L 处于储能状态；2.当开关管Q处于断开时，IL有减小趋势，L中产生的自感电动势使二极管D处于导通状态，L开始释放其储存的能量，对电容C和负载供电.图2.4升降压型PFC主电路该电路的优点：可以对输人电压升压和降压，适用范围比较广，集合了升压式和降压式PFC的一些优点；电路输出电压选择范围较大，可根据一级的不同要求设计；电路中的开关管可实现输出短路保护的功能.该电路的主要缺点有：开关管要有很强的电压应力，因为开关管的电压为输入电压与输出电压的和；由于在每个开关周期中，输入电流只有在开关管处于导通状态下才会有，峰值电流变的比较大；因此驱动起来比较复杂；因为输出电压极性与输入电压的极性是相反的，后级逆变电路比较难设计，因此在现实应用中比较少.4、正激型PFC电路图2.5为正激型PFC电路，工作状态有两种：1.当开关管Q处于导通时，二级管D1处于正偏导通，D2处于截止状态，电源向负载提供能量，输出电感L处于储能状态.当开关管Q处于关断时，电感L储存的能量通过二极管D2，向负载释放电能，电容C 处于充电状态.该电路的磁通是单向累积的，在电路中需要设计磁复位.图2.5正激型PFC主电路这种电路的优点是功率级的电路设计比较简单，缺点是电感中的能量要通过磁复位回路来释放.5、反激型PFC电路图2.6为反激型PFC电路，工作状态有两种：1.当开关管Q处于导通时，输入电压加到高频变压器B1的原边绕组上，由于B1副边整流二极管D1反接，副边绕组中没有电流流过，此时，电容C放电向负载提供能量.当开关管Q关断时，绕组上的电压极性反向，二极管D1正偏导通，储存在变压器中的能量通过二极管D1向负载释放.这种电路的优点是功率级电路简单，且具有过载保护功能.图2.6反激型PFC主电路2.2.3 升压式有源功率因数校正电路的分析有源功率因数校正技术的思路，主要是通过控制整流后的电流，在对滤波大电容充电之前，能够与整流后的电压波形相位相同，避免引起电流脉冲的形成，达到提高功率因数的目的.1、升压式Boost电路的基本原理升压式Boost电路按电流区分有三种工作模式分别为：连续模式、断续模式、临界模式.图2.7为升压式Boost电路拓扑.图中的Vcont是指功率开关MOSFET的控制信号，VI是指MOSFET两端的电压，ID是指流过二极管D的电流.MOSFET有两种状态；1.当开关管T处于导通时，电流IL流过电感线圈L，在电感线圈处于未饱和状态时，电流线性逐渐增加，电感线圈以磁能的形式储存电能，二极管D处于截止状态，电容Cout 储存的能量将会释放，为负载提供能量.2.当开关管T处于断开时，线圈储存的磁能将改变线圈L两端的电压VL，以保持其电流IL不发生突变.电源Vin与线圈L转化的电压相串联，以高于输出的电压向电容和负载供电.如图2所示是其电压和电流的关系图.图2.7 Boost 电路拓扑电压和电流的关系如图2.8所示.图2.8 Boost 电路的电压与电流的关系分析图2.8，可得：in 1111()()L out in I V t V V T t L L ∆==-- (2.6) (2.7) 升压式Boost 连续模式和临界模式下的基本公式为式(2.7) .2、临界状态下的Boost-APFC 电路设计基于L6562的临界工作模式下的Boost-APFC 电路的典型拓扑结构如图2.9所示，图2.10所示是其APFC 工作原理波形图.图2.9 Boost—APFC控制框图图2.10 临界APFC工作原理波形图升压式Boost实现高功率因数的原理是让整流后的输入电流跟踪输入电压，使能够获得期望的输出电压.控制电路所需的参量有即时输入电压、输入电流以及输出电压.乘法器与输入电流控制部分和输出电压控制部分相连接，使输出的信号为正弦信号.假如输出电压偏离了期望值，如输出电压发生跌落时，电压控制环节的输出电压将会增加，使乘法器的输出也相应随着增加，从而达到使输入电流有效值也相应地随着增加，使能够提供足够的能量.在临近状态控制模型中，输入电流的有效值是由输出电压控制环节实现调制，而输入电流控制环节使输入电流能够保持正弦规律变化，从而达到跟踪输入电压的目的.本文在基于此类控制模型下，采用ST公司的L6562作为控制芯片，给出了Boost-APFC电路的设计方法.3 元器件的选择3.1 L6562简介图3.1是L6562芯片的元器件，图3.2是L6562芯片的引脚图.DIP-8图3.1 L6562芯片INV ZCDCOMP GNDMULT GDCS V CC图3-2 L6562引脚图1脚（INV）：误差放大器反向输入端.PFC输出电压分压电阻分压后送入该引脚.2脚（COMP）：误差放大器输出端.补偿网络设置在该脚与INV端（1脚），以完成电压控制环路的稳定性和保证有高的PF值与低的谐波失真（THD）.3脚（MULT）：乘法器输入端.该引脚通过分压电阻分压，连接到整流器整流电压提供基准的正弦电压给电流环.4脚（CS）：输入到PWM比较器.MOSFET管电流流过取样电阻，在电阻产生电降，该电压与内部的正弦电压形成基准信号，与乘法器比较来决定MOSFET的关闭.5脚（ZCD）：升压电感去磁侦测输入端.工作在临界传导模式，用负极性信号的后沿来触发MOSFET的导通.6脚（GND）：控制电路的地端.栅极驱动和信号回路的通路都应该汇集到该地引脚端.7脚（GD）：栅极驱动输出.图腾柱输出能直接驱动MOSFET管或IGBT管，对源极峰值推动电流是600mA，吸收电流时800mA.该脚的驱动电压被钳制在12V左右，避免因CCU电压过高而使驱动电压也升高.8脚（VCC）：电压供给IC内部信号与栅极驱动，供电电压能够被限制在22V以下.L6562是在临界电流模式状态下工作的.升压电感L的电流逐渐减小到零时，能够检测到电感两端的电压极性同时发生变化变号，零电流检测器才能够打开外部的MOSFET.为了防止发生虚假触发，电路提供了0.5V的滞后电压.ZCD端输入电压的门限值设为1.8～2.3V，输入电流为2μA ，禁止阈值为200mV，箝位电压为5.7V.为了改进THD的恶化，在L6562的内部乘法器单元中，专门嵌入了TD最优化电路.改进后的电路能够处理AC线路电压过零附近时积聚的能量，从而使桥整流器后的高频滤波器电容能够充分放电，达到减小交越失真，从而降低THD的目的.综合高线性乘法器中的THD最优化电路，L6562允许在误差放大器反相输入端INV 脚和输出端COMP脚之间连接RC串联补偿网络，减小放大器输出波纹和乘法器输出的高次谐波的误差.L6562性能与L6561，L6560相比较有明显的提升，但制作的成本并没有增加.3.2 L6562芯片原理框图图3.3为芯片L6562的原理框图.图3.3 L6562芯片原理框图4 电路的设计4.1基于L6562的Boost-APFC电源电路本文的设计是基于临界状态下，采用的是ST公司的L6562作为控制芯片，设计出升压式有源功率因数校正电路.图4.1给出了由L6562构成的APFC的电路图.图中的C1、C2、L1构成双π抗电磁干扰滤波器，输入的交流电经整流桥整流后变换为正弦全波直流脉动，作为升压式Boost 电路的输入；电容C3的作用是为了滤除电感电流中的高频信号，降低输入电流中存在的谐波含量；整流后的正弦全波直流电压经过电阻R1和R2构成的电阻分压网络，然后通过3脚输入到乘法器，是用来确定输入电压的波形与相位，电容C4的大小为0.01uF，是用以滤除3号脚的高频干扰信号；PFC的变换器直流输出电压V0经过R8、R9分压反馈到1号脚误差放大器的反相端.升压式Boost电感L的一个副绕组，用作初级电感的高灵敏度的传感器，将初级电感的高频电流传送到R4转换为电压信号，给5号脚以过电流检测信号.芯片的驱动信号通过电阻R5连接到MOS管的栅极；电阻R7作为电感电流的检测电阻，用以采样电感电流的上升沿MOS管的电流，电阻R7一端接地，另一接在MOS管的源极，同时经电阻R6连接到芯片的4号脚；电阻R9和R8不仅构成电阻分压网络，也形成输出电压的负反馈回路；电容C6连接于芯片1、2脚之间，组成电压环的补偿网络.图4.1 基于L6562的Boost-APFC 电源电路4.2 Boost-APFC 电感的设计 升压式Boost 电感，采用AP 法则，原理是首先根据设计要求计算所需电感：20(min)0(2)2ims ims sw i V V V L f p V -= (4.1)式中，Virms 为输入电压有效值；Vo 为输出电压，fsw(min)为MOS 管的最小工作频率，通常在20kHz 以上；Pi 为输入功率.计算要求的AP 值为：6()()max 10_L rms L pk u C LI I AP req k B J δ-⨯=(4.2)式中，Ku 为磁芯窗口利用率，Jc 为电流密度，IL(pk)为电感电流峰值.有式子(4.2)式的计算结果可选择磁芯的AP 值(大于AP_req ，AP=AeAw ，单位为m ^4).然后根据所选磁芯来计算原边匝数及所需气隙.副边匝数一般按10：1的比例选取.。

第25卷第3期上海电力学院学报V o l .25,N o .3　2009年6月J o u r n a l o f S h a n g h a i U n i v e r s i t y o f E l e c t r i c P o w e rJ u n e 2009 文章编号:1006-4729(2009)03-0201-07有源功率因数校正技术及控制方式分析 收稿日期:2009-03-30作者简介:张浩(1962-),男,博士,教授,博士生导师,江苏无锡人.主要研究方向为电力系统自动化,工业以太网,现场总线,电力监测与管理,电力企业信息化等.E -m a i l :h z h a n g k @y a h o o .c o m .c n .张　浩,许龙虎(上海电力学院电力与自动化工程学院,上海　200090)摘　要:电力电子设备谐波污染问题越来越严重,功率因数校正技术是解决该问题的最有效方法,而有源功率因数校正(A P F C )技术因其独特的优势成了该领域的研究重点.介绍了功率因数的定义和校正原理,并根据有源功率因数校正电路说明了A P F C 的工作原理,重点阐述了A P F C 技术的各种控制方法及其未来的发展趋势.关键词:有源功率因数;校正技术;控制方式中图分类号:T P 217+.3 文献标识码:AA c t i v e P o w e r F a c t o r C o r r e c t i o n T e c h n o l o g ya n dC o n t r o l Me t h o d s A n a l y s i sZ H A N GH a o ,X UL o n g -h u(C o l l e g e o f E l e c t r i c P o w e r a n dA u t o m a t i o nE n g i n e e r i n g ,S h a n g h a iU n i v e r s i t y o f E l e c t r i c P o w e r ,S h a n g h a i 200090,C h i n a )A b s t r a c t :　T h eh a r m o n i c p o l l u t i o np r o b l e m o f p o w e r e l e c t r o n i cd e v i c e s b e c o m e s m o r ea n dm o r es e r i o u s ,a n d p o w e r f a c t o r c o r r e c t i o n t e c h n o l o g y i s t h e m o s t e f f e c t i v e m e t h o d t o s o l v e t h i s p r o b l e ma n d t h e a c t i v e p o w e r f a c t o r c o r r e c t i o n(A P F C )t e c h n o l o g y h a s b e c o m e t h e r e s e a r c hf o c u s o w i n gt oi t s u n i q u e a d v a n t a g e s .T h ed e f i n i t i o na n dp r i n c i p l e s o f p o w e r f a c t o r c o r r e c t i o na r ei n t r o d u c e d ,t h e w o r k i n g p r i n c i p l e o f A P F Ct e c h n o l o g y i s s h o w e d a c c o r d i n g t o t h e A P F Cc i r c u i t .T h e d e v e l o p m e n t t r e n d a n d v a r i o u s c o n t r o l m e t h o d s o f A P F Ct e c h n o l o g y a r e m a i n l y a n a l y z e d .K e y w o r d s :　a c t i v e p o w e r f a c t o r ;c o r r e c t i o n t e c h n o l o g y ;c o n t r o l m e t h o d s 随着我国经济的发展,各种换流设备的使用越来越多、容量越来越大,加上一些非线性用电设备接入电网,将其产生的谐波电流注入电网,使公用电网的电压波形发生畸变,造成电能质量下降,威胁电网和包括电容器在内的各种电气设备的安全经济运行.为了提高电网的供电质量,限制高次谐波污染,国内外电气组织先后制定了相关标准,我国国家技术监督局1993年颁布了G B /T 14549-93电能质量公用电网谐波,国际电工委员会(I E C )1998年制定了I E C 61000-3-2标准[1].解决电力电子设备谐波污染问题的方法有两种:一是对电网采用滤波补偿;二是对电力电子设备本身进行改进,即进行功率因数校正.相对来说,功率因数校正能够更有效地消除整流装置的谐波,具有更广泛的前景,已经成为电力电子技术的一个重要研究方向[2].功率因数校正技术包括无源功率因数校正和有源功率因数校正.无源校正电路通常由大容量的电感、电容组成,只能将功率因数提高到0.7～0.8,一般应用在中小功率电源中.有源功率因数校正电路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,能够使功率因数提高到接近1,它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,从20世纪80年代中后期开始成为电力电子领域研究的热点,90年代后得到了迅速推广.本文重点介绍有源功率因数校正技术及相关控制方式.1　功率因数的定义及校正原理在电力系统中,电动机及其他带有线圈(绕组)的设备很多,它们除了从电源取得一部分电功率作为有功功率使用外,还将消耗一部分电功率来建立线圈磁场,这就额外地增加了电源的负担.功率因数就是反映总电功率中有功功率所占有的比重,定义为:交流输入有功功率与输入视在功率之比值[3].其表达式为P F =P 实P 视=P V R M S I R M S =V R×I 1c o s φV R I R =I 1co s φI R=γc o s φ式中:V R电网电压有效值;I R 电网电流有效值;I 1基波电流有效值;γ=I 1/I R电网电流交流失真因数(又称基波因数);c o s φ基波电压和基波电流的相移因数.因此,功率因数P F 又可定义为失真因数与相移因数的乘积.由表达式可以看出,P F 由γ和c o s φ决定.c o s φ低,则表示电力电子设备的无功功率大,设备利用率低,导线、变压器绕组损耗大;γ值低,则表示输入电流谐波分量大,对电网造成污染,严重时,对三相四线制供电还会造成中线电位偏移,致使电力电子设备损坏.由于常规整流装置使用晶闸管或二极管,整流器件的导通角远小于180°,从而产生大量谐波电流.而谐波电流不做功,只有基波电流做功,因此功率因数很低.功率因数校正的基本原理,就是在电路上采取有效措施,清除无用谐波,使得交流输入的电流波形完全跟踪交流输入的电压波形,使输入电流波形呈纯正正弦波,并且和输入电压同相位.功率因数与电流总谐波失真度D T H的关系为P F 失真=11+(D T H )2式中,D T H =I 22+I 32+…+I n 2+…/I 12即为所有谐波分量的总有效值和基波分量之商.正弦化是使其他谐波为零,即I R =I 1,则失真因数γ=I 1I R=1同相位是使φ=0°,即c o s 0°=1.在交流输入级加入功率因数校正网络,通过合适的控制电路不断调节输入电流波形,使其尽可能地逼近正弦波,并且与输入的电网电压保持同相,这样就达到了功率因数校正的目的.2　有源功率因数校正电路工作原理 有源功率因数校正(A P F C )电路[4,5]是在整流器和负载之间接入一个D C /D C 开关变换器,应用电压电流反馈技术,使输入端电流波形跟随输入正弦电压波形,从而使输入电流的波形也接近正弦波,以达到提高功率因数的目的.由于在此电路中使用了有源器件,所以称为有源功率因数校正电路.该电路的基本思想是:交流输入电压经全波整流后,对所得的全波整流电压进行D C /D C 变换,通过适当控制,使输入电流波形自动跟随全波整流后的电压波形,达到输入电流的正弦化,同时保持输出电压稳定.有源功率因数校正电路一般都是一个双闭环控制系统.外环是一个电压控制环,它是一个1型控制系统,按照控制理论,1型系统可以无差地跟踪阶跃信号.只要输入一个不变的参考电压,就可以得到一个稳定不变的输出电压.电压控制环的作用是使输出保持一个高于输入电压最高峰值的稳定电压,这是功率因数校正所必需的.内环是一个电流控制环,它是一个2型控制系统.按照控制理论,2型系统可以无差地跟踪斜坡信号,由于正弦波信号变化比斜坡信号慢,所以2型系统也可以无差地跟踪正弦波信号.电流控制环的作用是使输入电流无差地跟踪输入电压的波形,让输入电流与输入电压具有同相的正弦波波形,以达到功率因数校正的目的.双202上　海　电　力　学　院　学　报 2009年闭环控制的效果是使输入电流与输入电压呈同相的正弦波,输出一个高于输入电压最大峰值的稳定直流电压,这个稳定的直流为后级变换电路提供直流能量.有源功率因数校正原理如图l 所示.图1　有源功率因数校正原理 图1中,主电路采用D C /D C 变换电路,外环是一个电压误差放大器和一个模拟乘法器,内环是驱动电路和电流比较器.调节器采用电压、电流双闭环控制方式,电流反馈网络的取样信号是升压变换器的电感电流,电压反馈网络的取样信号是调节器的输出电压.该电路的工作原理如下:单相交流电经过整流后得到单相双半波正弦电压信号,此电压波形作为功率因数校正控制器的输入电流的参考波形,输入到模拟乘法器,为了保证输出电压恒定,将输出电压通过电压反馈网络也引入乘法器,经过乘法器运算后,其结果作为电流波形的参考值,并与实际取样的电流值进行比较,然后通过驱动电路产生的驱动信号,控制D C /D C 变换器的输出电流和电压.由于采用了闭环控制,将D C /D C 变换器的实际电流通过反馈网络引入电流比较器,从而保证了D C /D C 变换器的电流能够准确跟踪乘法运算所规定的电流值.3　有源功率因数校正方法分类3.1　根据有源功率因数校正拓扑分类有源功率因数校正电路按照其校正拓扑可分为降压式、升/降压式、反激式和升压式.其中,降压式因噪音大、滤波难,以及功率开关管上电压应力大、控制驱动电平浮动而极少被采用;升/降压式需要有一个功率开关管的驱动控制信号浮动,电路复杂,因而也较少采用;反激式的输出与输入隔离,输出电压可以任意选择,采用简单电压型控制,适用于150W 以下功率的应用场合;升压式是简单的电流型控制,P F 值高、D T H小、效率高,但是输出电压高于输入电压,适用于75～2000W功率范围的应用场合.升压式具有以下优点:(1)电路中的电感L 适用于电流型控制;(2)由于升压型A P F C 的预调整作用在输出电容器上保持高电压,所以电容器体积小、储能大;(3)在整个交流输入电压变化范围内能保持很高的功率因数;(4)当输入电流连续时,易于E M I 滤波;(5)升压电感L 能阻止快速的电压、电流瞬变,因而可提高电路工作的可靠性.因此,目前升压式有源功率校正电路应用最为广泛.3.2　根据输入电压不同分类根据输入电压的不同,有源功率因数校正电路又可以分为单相和三相两类.三相P F C 有输入功率高等优点,然而它又存在三相之间耦合问题的严重缺点,控制机理复杂,研究难度大,所以单相P F C 的研究较多并相对成熟[6].单相P F C 可以分为两级P F C 和单级P F C [7].3.2.1　两级P F C两级P F C [8-10]方案如图2所示.所谓两级,指的是P F C 前置级和D C /D C 后随级.图2　两级P F C 方案 P F C 前置级使输入电流跟随输入电压,实现功率因数校正;D C /D C 后随级实现隔离和降压.其优点是每级电路可单独分析、设计和控制,特别适合作为分布式电源系统的前置级.P F C 前置级可以是B u c k ,B o o s t ,或B u c k -B o o s t 等.但是由于B o o s t 电路本身的一些优点,用得最多的还是B o o s t 拓扑.D C /D C 后随级可以用正激、反激或其他电路拓扑.两级P F C 虽然功率因数校正效果不错,但由于用B o o s t 升压的电路母线电压高于输入电压峰值,电容电压过高.另外,由于两级传输,使得控制复杂,传输效率低,成本也较高.据统计,使用两级P F C 电路比不使用P F C 的电路成本上升15%,这就限制了其在中小功率场合的应用.203 张　浩,等:有源功率因数校正技术及控制方式分析目前,对两级P F C 的研究主要集中在P F C 的前置级上,研究的热点有以下3个:一是降低M O S F E T 的开通损耗和二极管的反向恢复损耗;二是提高动态响应;三是控制简单化.解决M O S F E T 过大的开通损耗和二极管过大的反向恢复损耗主要有两种技术:一是有源软开关;二是无源软开关,即无源无损吸收网络.3.2.2　单级P F C1990年,美国科罗拉多大学E r i c k s o n 教授等将前置级B o o s t 电路和后随级反激(F l y -b a c k )或正激(F o r w a r d )变换器环节M O S F E T 公用,提出了所谓的单级P F C 变换器[11].单级P F C 方案如图3所示.图3　单级P F C 方案 该方案与传统的两级电路相比省掉了一个M O S F E T ,增加了一个二极管,集功率因数校正和输出隔离、电压稳定于一体,结构简单,效率高.但分析和控制复杂,适用于单一集中式电源系统.对其控制的目的只是让D C /D C 级快速稳定输出,而功率因数则需要功率级自身获得,因此它的输入电流有些畸变,但仍能满足I E C 1000-3-2对电流谐波含量的要求.虽说单级P F C 电路相对比较简单,但也存在着严重的问题.当负载变轻时,输出能量迅速减小,占空比瞬时不变,输入能量也不变,使得输入功率大于输出功率,中间储能电容电压升高,此时减小占空比以保持D C /D C 级输出稳定,最终达到一个新的平衡状态.这样,中间储能电容的耐压值需要很高,甚至达到1000V .当负载变重时,情况则正好相反.因此,怎样降低储能电容上的电压是单级P F C 需要研究的一个问题.3.3　根据电感电流控制方式分类按照输入电感电流是否连续,A P F C 控制方式可分为不连续导通模式(D C M )、连续导通模式(C C M ),以及介于D C M 与C C M 之间的临界或过渡导通模式(T C M )3种.D C M 的控制又称电压跟踪方法,可以采用恒频、变频、等面积等多种方式.它工作在不连续导通模式,用电压跟随器的方法来实现A P F C ,采用此方法比较简单、方便,但开关峰值电流大,(在同容量情况下,D C M 中开关器件通过的峰值电流是C C M 的两倍.)由此导致通态损耗增加.同时,功率因数与输入和输出电压的比值有关,当输入电压变化时,功率因数也将发生变化,因此,D C M 方式的A P F C 电路很少被采用.C C M 方式的A P F C 工作在连续导通模式,用乘法器的方法来实现A P F C .电路的电感电流就是输入电流,电感电流被采样并被控制,使其幅值与输入电压同相位的正弦参考信号成正比,从而达到功率因数校正的目的.乘法器方式的P F C 电路还可以根据输出电压反馈信号,利用一个乘法器电路来控制正弦参考电流信号,从而获得可调整的输出电压.相对于D C M ,C C M 具有以下优点:(1)输入和输出电流纹波小,T H D 和E M I 小,滤波容易;(2)R M S 电流小,器件导通损耗小;(3)适用于大功率应用场合.相对于C C M 来说,T C M 方式的输入电流,输出电压的纹波比较大,因而对开关的冲击较大,同时开关的导通损耗也比较大.因此,下面主要讨论C C M 控制方式.根据是否直接选取瞬态电感电流作为反馈和被控制量,C C M 模式有直接电流控制和间接电流控制之分.直接电流控制有峰值电流控制、滞环电流控制、平均电流控制等方式.电流的控制也可以通过控制整流桥输入端电压的方式间接实现,称为间接电流控制或电压控制.3.3.1　峰值电流控制峰值电流控制方式的基本思想是采用一个正弦基准电流作为上限,由输出检测信号经误差放大后与输入全波电压的检测信号相乘获得,下限则为零.它的工作频率可变,电流不连续,具有电路简单、易于实现的优点,但同时存在以下缺点:(1)电流峰值和平均值之间存在误差,无法满足D T H 很小的要求;(2)电流峰值对噪音敏感;占空比大于0.5时产生次谐波振荡;(3)需要在比较器输入端加谐波补偿.204上　海　电　力　学　院　学　报 2009年目前,这种控制方法趋于被淘汰[12].3.3.2　滞环电流控制滞环电流控制与峰值电流控制的差别是前者检测的电流是电感电流,并且控制电路中多了一个滞环逻辑控制器.它有一个电流滞环带,工作频率可变,最初用于控制电压型逆变器的输出交流电流.对B o o s t电路而言,是最简单的电流控制方式.滞环控制中没有外加的调制信号,电流反馈控制和调制集于一体,可以获得很宽的电流频带宽度.这种控制方式的特点是:控制简单、电流动态响应快、具有内在的电流限制能力;开关频率在一个工频周期内不恒定,引起E M I(电磁干扰)问题和电流过零点死区;负载对开关频率影响很大,滤波器只能按最低频率设计,不可能得到体积和重量最小的设计;滞环宽度对开关频率和系统性能影响很大,需要合理选取.上述特点说明滞环电流控制存在很多缺陷,因此近年来许多学者提出了改进方法,主要是结合D C M控制中恒频控制与滞环控制的优点提出新的控制方法.比如:文献[13]通过“期望等充电方法”实现恒频控制;文献[14]通过变滞环宽度的方式降低最高开关频率等.这些方法虽然改善了系统的性能,但依然存在很多实用性问题. 3.3.3　平均电流控制平均电流控制又称三角载波控制,是在峰值电流控制基础上发展起来的一种电流控制方法,为双环控制系统,即用一个电压环和一个电流环进行控制.经过合适选取电路参数,可保证控制电路的稳定性和快速调解电感电流.电流环有较高的增益带宽,跟踪误差小,瞬态特性较好.平均电流控制具有以下特点:电感电流紧密跟踪网侧电压波形,用较小电感即可使谐波电流含量达到3%以下,这对于P F C是十分重要的;不需要斜率补偿,但为了保证可靠工作,在一定的开关频率下需有环路增益限制;有极好的抗噪能力;多种电路拓扑均有良好的控制作用[12].平均电流控制利用了乘法器校正技术,可应用在任意电路拓扑上,是目前A P F C中应用最多的一种控制策略.功率因数可以达到0.99以上,是一种较先进和实用的功率因数校正技术,特别适用于大功率应用场合[15].3.3.4　间接电流控制间接电流控制即电压控制,是一种基于工频稳态的控制方式.电流不连续,采用固定占空比的方法,电流自动跟随电压.这种控制方法存在诸多缺点,如:自身无限流功能,需要另加过流保护电路;系统从一稳态向另一稳态过渡时电流中会出现直流分量[16];系统动态响应慢.一般用在输出功率比较小的场合.在单级功率因数校正中多采用这种方法.4　其他控制方法及发展趋势随着功率因数校正技术的快速发展,寻求更简化的控制策略、降低功率因数校正的成本成为该领域的发展方向,各种控制方法层出不穷.下面简单介绍几种典型的控制方法及其发展趋势.4.1　单周期控制技术单周期控制技术是20世纪90年代初由美国加州大学的K E Y U EM S m e d l e y提出的[17],它不需要乘法器,是一种非线性控制技术,同时具有调制和控制的双重功能,通过复位开关、积分器、触发电路、比较器达到跟踪指令信号的目的.它的突出特点是,无论是稳态还是暂态,它都能保持受控量(通常为斩波波形)的平均值恰好等于或正比于给定值,即能在一个开关周期内,有效地抑制电源侧的扰动,既没有稳态误差,也没有暂态误差.单周期控制技术的基本思想是在每一个开关周期内使受控量的平均值恰好等于或者正比于控制参考量.它具有优化系统响应、开关频率恒定、减小畸变、抑制电源干扰和易于实现等优点.这种控制技术可广泛应用于非线性系统场合.4.2　电荷泵控制技术D I C K S O NJ F1976年首次提出了理想的电荷泵模型[18].利用电流互感检测开关管的开通电流,并给检测电容充电,当充得的电压达到控制电压时关闭功率开关管,并同时放掉检测电容上的电压,直到下一个时钟脉冲到来使开关管再次开通,而控制电压与电网输入电压同相位,并按正弦规律变化.由于控制信号实际上是开关电流在一个周期内的总电荷,因此也称为电荷控制方式.电荷泵式功率因数校正器使用一个泵电容代替单级功率因数校正器中的大电感,将电子镇流器中P F C级和D C/A C逆变级连接起来,起到调节功率因数的作用.这种电路的使用使得镇流器205 张　浩,等:有源功率因数校正技术及控制方式分析可以进一步减小体积和降低成本.4.3　非线性载波控制技术非线性载波控制理论是一种简单的单级功率因数校正电路,不需要采样电压,其内部电路作为乘法器,即载波发生器为电流控制环产生时变参考信号.电流检测避免了使用复杂的乘法器电路和电流误差放大器.通过比较非线性载波与开关管、二极管或电感电流检测波形获得P WM波形,实现了输入电流跟随输入电压变化,获得了高功率因数.这种控制方法工作在C C M模式,可用于F l y-b a c k,C u k,B o o s t等拓扑中,其调制方式有脉冲前沿调制和脉冲后沿调制两种.非线性载波控制的控制电流可以是开关电流、二极管电流,或是电感电流.从电路的拓扑结构上讲,非线性载波控制技术是在电荷控制的基础上增加了一个外加的非线性补偿,从而提高了系统的稳定性.在非线性载波控制中,当电路工作在电流连续状态下,系统就是稳定的,而当电路工作在断续状态下,系统是小信号稳定的.另外,非线性载波控制工作在断续条件下会产生输入电流的畸变.4.4　无差拍控制无差拍控制[19]的基本思想是将输出参数等间隔地划分为若干个取样周期,根据电路在每一取样周期的起始值,预测在关于取样周期对称的方波脉冲作用下某电路变量在取样周期末尾时的值.适当控制方波脉冲的极性与宽度,就能使输出波形与要求的参数波形重合.不断调整每一取样周期内方波脉冲的极性与宽度,就能获得波形失真小的输出.它是一种在电流滞环比较控制技术基础上发展起来的全数字化的控制技术.无差拍控制技术的优点是数学推导严密、跟踪无过冲、系统动态响应快、易于计算机执行,缺点是要求建立精确的数学模型,当理想模型与实际对象有差异时,剧烈的控制动作会引起输出电压的振荡,不利于系统稳定运行.随着数字信号处理单片机应用的不断普及,这种控制方法必将越来越有前途.4.5　空间矢量调制空间矢量调制[20]是20世纪80年代中后期发展起来的,最初的应用是使电机获得圆形的旋转磁场,称为“磁链跟踪”.目前,空间矢量调制的概念远远超出了电机调速的范畴,成为与S P WM 相并行的一种P WM调制技术.空间矢量调制也是矩阵式变换器的最佳调制方式,三相功率因数校正电路的数字化实现也可用此方式.在模拟控制中用a b c三相对称坐标系,控制量是分段正弦的;在数字化实现时,用同步旋转的d-q正交坐标系,此时,控制量在稳态时为常量,容易保证好的稳态特性;模拟控制时,控制变量是时变的,在电压、电流过零时,可能出现不连续,并且由于模拟控制器的工频增益有限,电流畸变通常比数字控制大.数字控制的带宽主要受运算速度和采样延迟的限制.随着微控制器的性能价格比不断提高,基于空间矢量调制的数字化实现会越来越具吸引力.空间矢量在理论分析上也有优点,用其描述三相电路的状态轨迹,非常直观.4.6　基于李雅谱诺夫的非线性大信号方法控制传统控制方法的数学建模一般是基于系统的小信号线性化处理的,这种方法的缺点是不能保证对系统的大信号进行稳定的扰动.基于此,文献[21]中提出了用大信号扰动的方法直接分析这种非线性系统.仿真和实验结果表明,系统对大信号扰动具有很强的鲁棒性.在功率因数校正领域,国内外专家和学者还提出了很多新的控制方法.文献[22]采用预测开关模式P S M,放弃了传统反馈的控制方式,能在负载变化时保持近似单位功率因数.文献[23]采用混合电流模式采样校正,解决了功率因数校正在C C M与D C M之间转换时产生的输入电流干扰问题,补偿性能好,不受器件处理速度限制.文献[24]在B o o s t电路基础上,通过简化控制,提出了一种无输出电压采样的功率因数校正控制策略,输出电压可通过电压控制增益直接控制.在两级功率因数校正中,对B o o s t P F C前置级研究的重点是电路的完善和控制的简单化.如果工作在P WM硬开关状态下,M O S F E T的开通损耗和二极管的反向恢复损耗都会很大,那么如何消除这两个损耗就会产生出许多关于软开关B o o s t变换器理论的研究(如有源软开关和无源软开关技术).此外,有关功率因数校正的控制策略的简化206上　海　电　力　学　院　学　报 2009年。

有源功率因数校正技术
李勇
【期刊名称】《《职业》》
【年(卷),期】2008(000)006
【摘要】大多数的电子电器都需要把工频交流电转换为直流电来使用。

转换的电路一般都是先整流后虑波。

整流滤波电路一般形式如图1所示。

一、提高用电设备的功率因数大容量的电容能够将电压维持在交流输入正弦波峰值电压附件,直到下一个交流峰值电压到来时对电容再进行充电。

在这种情况下,只有在交流输入电压的峰值附近,桥式整流器中的两个二极管才因正向偏置而导通。

【总页数】2页(P66-67)
【作者】李勇
【作者单位】
【正文语种】中文
【相关文献】
1.有源功率因数校正技术在工作电路中的实现 [J], 刘瑞
2.矢量模式单周期控制三相有源功率因数校正技术的研究 [J], 唐言宾;凌跃胜;刘达;汪雄
3.基于坐标变换的有源功率因数校正技术研究 [J], 潘志翔;鲍倩倩;徐志科;金龙;龚龙中;李轩;戴德嵩
4.有源功率因数校正技术及控制方式分析 [J], 李晓晖;
5.有源功率因数校正及有源滤波技术的研究 [J], 郑振峰
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