一种新颖的无源功率因数校正电路

摘要：提出了一种新颖的无源功率因数校正电路，该电路在传统的无源功率因数校正基础上增加了一个简单的辅助电路，通过增大整流桥的导通角，从而降低了奇次谐波成分并消除了偶次谐波。电路的仿真和实验验证了分析的正确性和该电路的实用性。

关键词：无源功率因数校正；功率因数；总谐波畸变

1  引言

    随着电力电子技术的不断发展，越来越多的开关电源装置被广泛应用于各种不同的领域，使得开关电源对电网的影响，如谐波污染及输入端功率因数下降等问题显得日益突出。为减少装置对电网的谐波污染和电磁干扰，提出了相应的谐波抑制方法和功率因数校正电路。

    功率因数校正电路一般分为有源功率因数校正(APFC)和无源功率因数校正(PPFC)。有源功率因数校正是功率因数校正的主要方法，它具有体积小、重量轻及可使功率因数调整到接近于1，输入电流总谐波含量降到10％以下的特点。这种电路适合制作高性能的开关电源，但由于要采用专用芯片，成本较高，很难应用于中小功率的开关电源之上。

    单相整流电路功率因数的无源校正技术是在整流电路中用LC滤波器来增大整流桥导通角，从而降低电流谐波提高功率因数。无源功率因数校正由于采用电感、电容、二极管等元器件代替了价格较高的有源器件，因而使开关电源的成本降低。虽然采用无源功率因数校正所得到的功率因数不如有源功率因数电路高，但仍然能使电路的功率因数提高到0.7至0.8，电流谐波含量降到40％以下。因而这种技术在中小容量的电子设备中被广泛采用。

    但无源功率因数校正还存在着诸如波峰系数与谐波含量较高等技术问题，仍需进一步改进。无源PFC电路同时作为一种整流电路的前端滤波器工作在工频(50～60Hz)状态，使用的电容和铁心电感处于工频低通或带通状态，因而滤波器体积和重量比较庞大。

    本文将介绍一种改进的无源功率因数校正电路，在基本上不增加成本的情况下，提高功率因数及减小电流谐波成分，使得电路能更好地满足IEC1000?3?2标准，具有较高的实用价值。

2  典型无源功率因数校正电路

    PFC滤波电路通常和EMI滤波电路结合起来设计。图中L_cm和C_cm构成电磁干扰共模抑制电路，L_dm和C_dm构成电磁干扰差模抑制电路。无源滤波电路由L_p和C_p组成，置于桥式整流电路的输入端。当电网中有谐波侵入时，适当地选择L、C的参数，可防止高频电路产生的大量高次谐波进入电网,也可阻止电网谐波进入整流电路。通常差模滤波电路的传递函数特性与PFC滤波电路相似，因而电路可简化为图2所示。

图2  简化无源滤波型PFC电路

3  改进型无源功率因数校正电路

    在无源功率因数校正的基础上采用了一种新颖的辅助电路来减小滤波器的体积及重量，同时进一步提高功率因数，减小电流谐波。辅助电路采用了小信号二极管和小容量的电容来实现。电路结构如图3所示。

图3  无源功率因数校正电路拓扑

    辅助电路由D₅－D₈，C₂－C₃组成。D₅，D₈的阳极接＋16V的电压给电容C₂，C₃充电。工作波形如图4仿真波形所示，图中v₃为输入正弦电压波形，v_c1为整流后的滤波电容电压；i_in为输入电流波形。当输入电压为正半波时，电容C₃已被充电到16V，比整流桥二极管D₁阳极电压高出16V，随着输入电压的升高，二极管D₇阳极电压首先达到滤波电容C₁上的电压而开通，电容C₃放电，然后整流桥开通，C₃放电完毕二极管D₇自动关断。同理，当输入电压进入负半波时，电容C₂及辅助二极管D₅进行充放电使得整个工频周期内的二极管导通角增大，从而提高功率因数并降低总谐波畸变。C₂，C₃，电压波形及D₅，D₇电流波形如图4所示。

图4  电路工作原理图

    在这里可以估算一下导通角及流过辅助二极管的电流峰值^[2]。

    整流桥后的滤波电容为

    C_in=（1）

式中：t_off为半个工频周期内整流桥关断时间，取为6ms；

    I_in－av(max)为输入最大平均电流，根据电路设计，取为0.8A；

    V_ripple为滤波电容上的电压纹波。

    由输出功率得到滤波电容值为240μF，代入式（1）可得滤波电容上的电压纹波V_ripple=20V。

    设辅助二极管开通时间为t₁，整流桥开通时间为t₂，则有

    V_msint₁=V_m－V_ripple－V_c2（2）

    V_msint₂=V_m－V_ripple（3）

    则可得到所增大的导通时间Δt为：

      Δt=t₂－t₁（4）

    代入V_m=310V，可得Δt=0.4ms（对于工频50Hz相当增加导电角7.2°）。导通期间电流峰值由电容C₂、C₃值的大小和负载大小情况决定，因而C₂、C₃一般选取较小，以保证无论负载情况如何变化，电容电荷都会在整流二极管开通后迅速释放。这里C₂、C₃取22μF。

4  仿真及实验

    实验装置为一台150W双管正激电路，电路有5路输出：±12V，5V，5Vsb，3.3V。电路采用SiMatrix仿真软件对输入电流进行傅立叶分解，得到的电流谐波如图5所示，图中波形①为传统的无源滤波型功率因数校正电路的电流分解图，波形②为改进型无源滤波电流分解图。由图可知，波形①含有较大成分的2次，4次等谐波，而波形②不仅消除了偶次谐波，而且3次，5次等奇次谐波也有不同程度的降低。因而功率因数有所提高，总谐波畸变有较大降低。

图5  输入电流谐波分布对比图

    实验电路的功率因数及谐波成分的测量^[4]采用的是基于HPI/O库建立的虚拟仪器测试平台。该测试平台采用IEEE-488GPIB标准^[3]，测量仪器通过数据采集卡将测量的数据传给计算机，然后由控制软件进行分析处理，得到详细而精确的测量结果。功率因数采用HP交流电源分析仪图形界面（HP AC Source GUI）测量；谐波分布采用HP谐波及闪烁测试系统（Harmonic Flicker Test System）测量^[4]。图6及图7为采用虚拟实验平台测得的电压电流波形及电流的谐波成分直方图。实验条件为输入电压220V，各路输出电流2A，输出功率为75W。图6为传统LC滤波型电路，其功率因数为0.75，THD=62％。其奇次谐波都低于IEC1000-3-2CLASSD标准，但裕度较小，且含有较高的偶次谐波。图7为改进型滤波电路电压电流波形，其功率因数提高至0.79，THD=57％，虽然奇次谐波降低不多，但提高了谐波裕度，同时基本了消除偶次谐波。

图6  传统无源PFC电路输入电流及谐波电流图

图7  改进型无源PFC电路输入电流及谐波电流图

5  结语

    本文介绍了一种通过辅助电路改善无源功率因数校正电路的方法。该方法通过并联电容充放电来增大了整流电路二极管的导通角，从而提高功率因数及减小电流谐波成分，特别是消除无源功率因数校正电路中存在的偶次谐波问题，使得电路能更好地满足IEC1000-3-2标准，具有较高的实用价值。