功率因数定义及影响功率因数的因素

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。在电工原理中，线性电路的功率因数PF(Power Factor)习惯定义为cosφ，φ是正弦电压和正弦电流间的相角差。但是在整流滤波电路中，由于整流器件的非线性和电容的储能作用。即使输入电压为正弦，电流却发生了严重的畸变 ,因此，线性电路中的PF定义不能适应用于AC/DC变换电路

在AC/DC变换电路中，忽略考虑谐波电流的二次效应，输入电压为正弦，输入电流为非正弦，这里电流有效值为：

式中，是第n次谐波的有效值

功率因数可以分为失真因子和位移因子

　　电压和电流波形之间的相位移动量可以由输人感抗和容抗的无功实质来说明。在一个纯阻抗负载中，电压和电流是同相位的正弦波，实际功率等于视在功率，PF=1。

通常，衡量电流波形畸变采用总谐波畸变（Total Harmonic Distortion，THD），其定义为：

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。

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ψ;另一个是电流或电压的波形失真。

功率因数校正PFC分类

PFC分无源和有源两种类型，目前流行的是有源PFC技术

1. 无源PFC

无源PFC技术采用体积庞大的电感、电容滤波器来提高功率因数，它难以实现功率因数PF=1.0的单位功率因数校正目标。

例如很多家用电器（如排风扇、抽油烟机等）和电气设备是有电抗的阻抗负载，存在着电压与电流之间的相位角ψ。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）电压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。

2. 有源PFC

为了使输入电流为正弦波提高功率因数，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，这就是有源功率因数校正（APFC）技术

有源功率因数校正（APFC）技术完全不同于传统的"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。为提高线路功率因数，抑制电流波形失真，必须采用PFC措施。

常见的有源功率因数校正技术电路拓扑有降压型、升/降压型、反激型、升压型。在作为APFC主电路拓扑的DC/DC开关变换器中，升压斩波（Boost）电路由于具有电感电流连续、储能电感也作为滤波器抑制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，常常作为主电路拓扑结构使用

PFC基本控制技术

总的来说，PFC电路控制技术可分为电流控制类型和电压控制类型，对应实现方式有基于乘法器控制的PFC和基于电压跟随器原理的PFC。不管是电流控制类型还是电压控制类型，都有输出电压反馈和电压调节器，所不同的是电压模式控制系统中，仅有一个电压反馈控制环；而电流模式控制系统中，除电压反馈控制环外，还存有电流控制内环。此外，其工作过程也有个共同特点，就是这些控制，都是通过控制高频开关管来调节电感工作状态，对电路因整流引起的波形畸变进行相应补偿，进而实现PFC功能。电感的控制主要就是控制其电流，相应的控制技术主要有以下三种：平均电流控制技术，电流峰值控制技术和电流滞环控制技术。这三种控制技术作为常用的控制办法

电感不连续导电模式的控制技术

电感不连续导电模式（DCM）是PFC电路的一种工作模式。这种模式具有控制简单、输入电流自动跟踪输入电压、电感量小等优点。与DCM相配套的控制技术有恒频控制、恒定导通时间（On-Time）控制和等面积控制等。

DCM工作模式的特点：

(1)输入电流自动跟踪电压且保持较小的电流畸变率；

(2)功率开关管实现零电流(ZCS)开通，不承受二极管的反向恢复电流；

(3)输入输出电流纹波较大，对滤波电路要求高；

(4)峰值电流高于平均电流，器件承受较大的应力，了其功率应用范围。单相PFC电路的功率一般小于200w，三相PFC的功率一般小于10kw。

电感连续导电模式的控制技术

电感连续导电模式（CCM）是PFC电路的另一种工作模式。这种工作模式的PFC电路根据控制量不同，又可分电流型控制和电压型控制两种方式[23]。电流型控制的优点是：电流瞬态特性优良、易于实现过流保护等，但控制电路复杂；电压型控制的优点是：结构简单、原理清晰[24][25]。通常情况下，电压型控制工作频率固定，电流不连续，采用固定占空比的方法，电流自动跟随电压。这种控制方法一般用在输出功率比较小的场合，另外在单级功率因数校正中多采用这种方法。电流型控制是目前应用相当广泛的控制方式，它来源于DC/DC变换器的电流控制模式。图2.9给出了CCM工作模式的PFC电路控制原理图，输入电压取样信号与输出电压误差信号相乘后作为电流控制器的给定信号(电流编程信号)，电流控制器的任务是控制输入电流按给定信号变化。根据电流控制器控制方式的不同，分为峰值电流控制、平均电流控制和滞环电流控制三种方式。

1、峰值电流控制。PFC中的峰值电流控制和DC/DC变换器中的峰值电流控制

原理相同，只是电流环的编程信号不再是直流而是按正弦规律变化。开关管开通时，电感电流上升，当到达编程电流值时，开关管关断，电流下降，下一个时钟周期到来时，开关管再次开通，这样电感电流峰值按编程的正弦规律变化，电感电流波形如图2.10所示。

峰值电流控制的特点：(1)峰值电流控制下电流峰值和平均值之间存在误差，无法满足THD很小的要求；(2)电流峰值对噪声敏感；(3)占空比大于0.5时系统产生次谐波振荡；(4)需要在比较器输入端加斜坡补偿函数。

2、平均电流控制。平均电流控制是在峰值电流控制的基础上发展起来的，它在乘法器输出与比较器之间增加了电流调节器，电流调节器控制输入电流平均值，使其与电流编程信号波形相同。由于电流环有较高的增益带宽，跟踪误差小、瞬态特性较好。图2.11示出电感电流波形。

平均电流控制的特点是：THD和EMI小、对噪声不敏感、适用于大功率应用场合，是目前PFC中应用最多的一种控制方式。           

3、滞环电流控制。滞环电流控制最初用于电压型逆变器中控制输出交流电流，后来也应用到整流器中控制输入，对Boost型PFC电路而言它是最简单的电流控制方式。滞环电流控制的原理是：电流编程信号和滞环宽度决定电感电流的上限与下限当电感电流上升到时，功率管断开，电感电流下降到时，功率管导通，如此反复，电感电流在滞环宽度内变化，电流波形如图2.12所示。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。

滞环电流控制的特点：(1)控制简单、电流动态响应快、内在的电流限流能力强；(2)开关频率随占空比变化，在一个工频周期中不恒定，引起EMI问题和电流过零点的死区；(3)负载对开关频率影响很大，滤波器设计只能按最低频率设计；4)滞环宽度对开关频率和系统件能影响较大，需合理选取。

综上所述，CCM相对DCM的优点是：(1)输入电流纹波和输出电流纹很小、THD和EMI小、EMI滤波器的体积小；(2)有效值电流小、器件导通损耗小；(3)适用于功率较大的应用场合。下载本文