功率因數(shù)校正的分析

功率因數(shù)是衡量電器設(shè)備性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。功率因數(shù)低的電器設(shè)備，不僅不利于電網(wǎng)傳輸功率的充分利用，而且往往這些電器設(shè)備的輸入電流諧波含量較高，實(shí)踐證明，較高的諧波會(huì)沿輸電線路產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，影響其它用電設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。如對(duì)發(fā)電機(jī)和變壓器產(chǎn)生附加功率損耗，對(duì)繼電器、自動(dòng)保護(hù)裝置、電子計(jì)算機(jī)及通訊設(shè)備產(chǎn)生干擾而造成誤動(dòng)作或計(jì)算誤差。因此。防止和減小電流諧波對(duì)電網(wǎng)的污染，抑制電磁干擾，已成為全球性普遍關(guān)注的問(wèn)題。國(guó)際電工委與之相關(guān)的電磁兼容法規(guī)對(duì)電器設(shè)備的各次諧波都做出了限制性的要求，世界各國(guó)尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家已開(kāi)始實(shí)施這一標(biāo)準(zhǔn)。
隨著減小諧波標(biāo)準(zhǔn)的廣泛應(yīng)用，更多的電源設(shè)計(jì)結(jié)合了功率因數(shù)校正(PFC)功能。設(shè)計(jì)人員面對(duì)著實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)腜FC段，并同時(shí)滿足其它高效能標(biāo)準(zhǔn)的要求及客戶預(yù)期成本的艱巨任務(wù)。許多新型PFC拓?fù)浜驮x擇的涌現(xiàn)，有助設(shè)計(jì)人員優(yōu)化其特定應(yīng)用要求的設(shè)計(jì)。
在電源的設(shè)計(jì)中，APFC一般是優(yōu)先考慮的校正方法。作為設(shè)計(jì)人員，大致從以下幾個(gè)方面對(duì)APFC進(jìn)行考慮：
一、 拓?fù)溥x擇的一般方法
由于輸入端存在電感，升壓轉(zhuǎn)換器是提供高功率因數(shù)的方法。此電感使輸入電流整形與線路電壓同相。但是，可以采用不同的方案來(lái)控制電感電流的瞬時(shí)值，以獲得功率因數(shù)校正。
a．臨界導(dǎo)電模式(CRM)PFC——由于控制的設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，而且可與較低速升壓二極管配合使用，所以在較低功率應(yīng)用中通常采用此方法。
b．不連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)PFC——此創(chuàng)新的方案延承了CRM 的優(yōu)點(diǎn)，并消除了若干限制。
c．連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)PFC——由于這種方案恒頻且峰值電流較小，是較高功率(>250 W)應(yīng)用的首選方案。但是，傳統(tǒng)的控制解決方案較為復(fù)雜，牽涉到多個(gè)環(huán)路，以及以不精確著稱的模擬乘法器，并需在控制集成電路周圍放許多元件。
二、選擇標(biāo)準(zhǔn)
1、 功率水平
a．如果功率水平低于150 W，最好采用CRM或DCM方案。至于CRM 或DCM，取決于你是想優(yōu)化滿載效率，采用CRM；而如欲減少EMI問(wèn)題，選擇DCM。
b．如功率水平高于250W，CCM是首選方案。此方案雖然可保持峰值電流和有效值電流，但必須解決二極管反向恢復(fù)問(wèn)題。
c．如功率水平在150W 與250w之間，方案的選擇則取決于設(shè)計(jì)人員的磁件設(shè)計(jì)水平。
d．如果功率在幾kw之上，則采用可控整流電路代替不控整流電路，控制方法采用pwm整流，以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的矯正。
2、 其它系統(tǒng)要求：拓?fù)涞倪x擇還以滿足各種高能效標(biāo)準(zhǔn)。例如，如果需要使系統(tǒng)中的頻率同步，則不能采用CRM。此外，如果第二個(gè)功率段可處理較大范圍(在某些功率序列安排中可能需要)的輸入電壓，則應(yīng)選擇跟隨升壓。
功率因數(shù)的限制因數(shù)：
  為什么在一般的電路中功率因數(shù)較低呢？有很多因數(shù)的影響。其中影響功率因數(shù)的主要原因是這些電器的整流電源普遍采用的電容濾波型橋式整流電路（圖1）。
這種電路的基本工作過(guò)程是：在交流輸入電壓的正半周，D1、D3導(dǎo)通，交流電壓通過(guò)Dl、D3對(duì)濾波電容C充電，若Dl、D3的正向電阻用r表示，交流電源內(nèi)阻用R表示，則充電時(shí)間常數(shù)可近似表示為：
 
由于二極管的正向電阻r和交流電源內(nèi)阻R很小，故r很小。濾波電容C很快被充電到交流輸入電壓的峰值，當(dāng)交流電源輸入電壓小于濾波電容C的端電壓時(shí)，Dl、D3就處于截止?fàn)顟B(tài)；同理，可分析負(fù)半周D2、D4的工作情況。由分析不難看出，當(dāng)電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，在交流輸入電壓的一個(gè)周期內(nèi)二極管導(dǎo)通時(shí)間很短，輸入電流波形畸變?yōu)榉群艽蟮恼}沖電流(圖2)。