電力電子功率因數(shù)校正

1、功率因數(shù)校正（英文縮寫是 PFC 足目前比較流行的一個(gè)專業(yè)術(shù)語(yǔ)。PFC 是在 20 世紀(jì) 80 年代發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，其背景源于離線開(kāi)關(guān)電源的迅速發(fā)展和熒光燈交流電子鎮(zhèn)流器的廣泛應(yīng)用。PFC電路的作用不僅僅是提高線路或系統(tǒng)的功率因數(shù)， 更重要的是可以解決電磁干擾 （EMI）和電磁兼容（EMC）訶題。線路功率因數(shù)降低的原因及危害導(dǎo)致功率因數(shù)降低的原因有兩個(gè)， 一個(gè)是線路電壓與電流之間的相位角中， 另一個(gè)是電流或電壓的波形失真。 前一個(gè)原因人們是比較熟悉的。而后者在電工學(xué)等書籍中卻從未涉及。功率因數(shù)（PF 定義為有功功率（P 內(nèi)視在功率（S 之比值，即 PF=P/S 對(duì)于線路電壓和電流均為正弦

2、波波形并且二者相位角時(shí)，功率因數(shù) PF 即為 COSD。由于很多家用電器（如排風(fēng)扇、抽油煙機(jī)等）和電氣設(shè)備是既有電阻又有電抗的阻抗負(fù)載，所以才會(huì)存在著電壓與電流之間的相位角。這類電感性負(fù)載的功率因數(shù)都較低（一般為0.5-0.6）,說(shuō)明交流（AC 兒源設(shè)備的額定容量不能充分利用，輸出大量的無(wú)功功率，致使輸電效率降低。為提高負(fù)載功率因數(shù)，往往采取補(bǔ)償措施。最簡(jiǎn)單的方法是在電感性負(fù)載兩端并聯(lián)電容器，這種方法稱為并聯(lián)補(bǔ)償。PFC 方案完全不同于傳統(tǒng)的“功率因數(shù)補(bǔ)償”， 它是針對(duì)非正弦電流波形而采取的提高線路功率因數(shù)、迫使 AC 線路電流追蹤電壓波形的瞬時(shí)變化軌跡，并使電流與電壓保持同相位，使系統(tǒng)呈純電

3、阻性的技術(shù)措施。長(zhǎng)期以來(lái)，像開(kāi)關(guān)型電源和電子鎮(zhèn)流器等產(chǎn)品，都是采用橋式整流和大容量電容濾波電路來(lái)實(shí)現(xiàn) AC-DC 轉(zhuǎn)換的。由于濾波電容的充、放電作用，在其兩端的直流電壓出現(xiàn)略呈鋸齒波的紋波。濾波電容上電壓的最小值遠(yuǎn)非為零，與其最大值（紋波峰值）相差并不多。根據(jù)橋式整流二極管的單向?qū)щ娦裕挥性?AC 線路電壓瞬時(shí)值高于濾波電容上的電壓時(shí)，整流二極管才會(huì)因正向偏置而導(dǎo)通，而當(dāng) AC 輸入電壓瞬時(shí)值低于濾波電容上的電壓時(shí)，整流二極管因反向偏置而截止。也就是說(shuō)，在 AC 線路電壓的每個(gè)半周期內(nèi)，只是在其峰值附近，二極管才會(huì)導(dǎo)通（導(dǎo)通角約為 70）。雖然 AC 輸入電壓仍大體保持正弦波波形，但 AC

4、輸入電流卻呈高幅值的尖峰脈沖，如圖 l 所示。這種嚴(yán)重失真的電流波形含有大量的諧波成份，引起線路功率因數(shù)嚴(yán)重下降。若 AC 輸入電流基波與輸入電壓之間的位移角是1,根據(jù)傅里葉分析，功率因數(shù) PF 與電流總諧波失真（度）THD 之間存在下面關(guān)系丹。1/1實(shí)測(cè)表明，對(duì)于未采取 PFC 措施的電子鎮(zhèn)流器，僅三次諧波就達(dá) 60%（以基波為100%）,THD 會(huì)超過(guò)電流基波，PF 不超過(guò) 0.6。線路功率因數(shù)過(guò)低和電流諧波含量過(guò)高，不僅會(huì)對(duì)造成電能巨大浪費(fèi)，而且會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重污染，影響到整個(gè)電力系統(tǒng)的電氣環(huán)境，包括電力系統(tǒng)本身和廣大用戶。因此，IEC1000-3-2家用電器及類似類電氣設(shè)備發(fā)出的諧

5、波電流限制和 IEC929（GB/T15144）管形熒光燈交流電子鎮(zhèn)流器的性能要求等標(biāo)準(zhǔn)，都對(duì) AC 線路電流諧波作出了具體的限制要求。為提高線路功率因數(shù)，抑制電流波形失真，必須采用 PFC 措施。PFC 分無(wú)源和有源兩種類型，目前流行的是有源 PFC 技術(shù)。無(wú)源 PFC 電路無(wú)源 PFC 電路不使用晶體管等有源器件，而是由二極管、電阻、電容和電感等無(wú)源元件組成。無(wú)源 PFC 電路有很多類型，其中比較簡(jiǎn)單的無(wú)源 PFC 電路由三只二極管和兩只電容組成，如圖 2 所示。這種無(wú)源 PFC 電路的工作原理是：當(dāng) 50Hz 的 AC 線路電壓按正弦規(guī)律由 0 向峰值 Vm 變化的 1/4 周期內(nèi)（即在

6、 0l-VD4工中電心峰用修理已修徘等監(jiān)H涯左優(yōu)-大BAC輸入電壓”或不沒(méi)部理踹電感電講hT均輸入業(yè)總線路輸入電壓和電流波形。事實(shí)上，工作于 DCM 的 PFC 升壓變換從 0 增大的峰值時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率逐漸降低。源一樣，其 DC 輸出電壓在 90270V 的 AC 輸入電壓范圍內(nèi)保持不變。在 DCM 下工作的 PFC 升壓變換器相關(guān)電壓和電流波形如圖 5 所示，圖 6 為 ACnnnruirru勰在峰值 AC 電壓附近，開(kāi)關(guān)周期最大而頻率最低。在連續(xù)模式（CCMJF 工彳的 PFC壓變換器采用固定頻率高頻 PWM 電流平均技術(shù)。這類變換器的開(kāi)關(guān)占空比是變化的，但開(kāi)關(guān)周期相同。通過(guò)升壓電感器和 PFC 開(kāi)關(guān)MOSFET 勺電流在 AC 線路電壓的半周期之內(nèi)（即 0t0.993,AC輸入電流總諧波失真THDC10.99%,其中二次諧波為 0.51%,三次諧波為 9.6%,五次諧波為 4.7%,七次諧波為 1.46%。 電子鎮(zhèn)流器 AC 輸入電壓總諧波含量為 4.23%。有源 PFC 升壓變換器在開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用中，為減少電路元件