功率因數(shù)校正原理及相關(guān)IC

近年來，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，對各種辦公自動(dòng)化設(shè)備，家用電器，計(jì)算機(jī)的需求逐年增加。這些設(shè)備的內(nèi)部，都需要一個(gè)將市電轉(zhuǎn)換為直流的電源部分。在這個(gè)轉(zhuǎn)換過程中，會產(chǎn)生大量的諧波電流，使電力系統(tǒng)遭受污染。作為限制標(biāo)準(zhǔn)，IEC發(fā)布了IEC1000?3?2；歐美日各國也頒布實(shí)施了各自的標(biāo)準(zhǔn)。為此諧波電流的抑制及功率因數(shù)校正是電源設(shè)計(jì)者的一個(gè)重要的課題。

2高次諧波及功率因數(shù)校正

一般開關(guān)電源的輸入整流電路為圖1所示：

市電經(jīng)整流后對電容充電，其輸入電流波形為不連續(xù)的脈沖，如圖2所示。這種電流除了基波分量外，還含有大量的諧波，其有效值I為：I=(1)

式中：I1，I2，…In，分別表示輸入電流的基波分量與各次諧波分量。

諧波電流使電力系統(tǒng)的電壓波形發(fā)生畸變,我們將各次諧波有效值與基波有效值的比稱之為總諧波畸變THD(TotalHarmonicDistortion)：THD=(2)

用來衡量電網(wǎng)的污染程度。脈沖狀電流使正弦電壓波形發(fā)生畸變，見圖3的波峰處。它對自身及同一系統(tǒng)的其它電子設(shè)備產(chǎn)生惡劣的影響，如：

——引起電子設(shè)備的誤操作，如空調(diào)停止工作等；

——引起電話網(wǎng)噪音；

——引起照明設(shè)備的障礙，如熒光燈閃滅；

——造成變電站的電容，扼流圈的過熱、燒損。

功率因數(shù)定義為PF=有效功率/視在功率,是指被有效利用的功率的百分比。沒有被利用的無效功率則在電網(wǎng)與電源設(shè)備之間往返流動(dòng)，不僅增加線路損耗，而且成為污染源。

設(shè)電容輸入型電路的輸入電壓e為：

e(t)=Em·sinω0t(3)

圖1電容輸入型電路

圖2電容輸入型電路的輸入電流,5A/DIV

圖3輸入電壓波形發(fā)生畸變

入電流i為：i(t)=Imk·sin(kω0t)(4)

則有效功率Pac為：

Pac=e(t)·i(t)dt=Em·Im1/2=E·I1而視在功率Pap為：

Pap=E·I因此：

PF=Pac/Pap=I1/I=(5)

電流波形為圖2的電源功率因數(shù)只有62.4％。由式(2)、(5)可見功率因數(shù)與總諧波畸變THD的關(guān)系為:PF=1/(6)

從式(2)、式(5)可見，抑制諧波分量即可達(dá)到減小THD，提高功率因數(shù)的目的。因此可以說諧波的抑制電路即功率因數(shù)校正電路(實(shí)際上有所區(qū)別)。

3功率因數(shù)校正的實(shí)現(xiàn)方法

綜上所述，只要設(shè)法抑制輸入電流中的諧波分量，通過電路方法，將輸入電流波形校正為或使無限接近正弦波,即可實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。

有很多的電路方式可以實(shí)現(xiàn)這一目的，比如說在電路中加入一個(gè)大電感（見圖4），使整流管的導(dǎo)通角變大。這種方法雖然簡單，價(jià)格低，但存在體積大，重量大，且效果不好(PF小于80％)等缺點(diǎn)。

下面以東芝公司的功率因數(shù)校正控制ICTA8310F為例，介紹一種有源功率因數(shù)校正方法。電路原理圖見圖5。

3．1主電路

由一個(gè)全橋整流器和升壓型BOOST變換器構(gòu)成，雖然其它的變換器BUCK,FLYBACK等也可以實(shí)現(xiàn)這一功能，但是由于BOOST變換器具有輸出電容小斷電保持時(shí)間長，可實(shí)現(xiàn)WorldWild電壓輸入，及輸入電流連續(xù)EMI小等諸多優(yōu)點(diǎn)，大部分功率因數(shù)校正都采用它來作為主電路。

Vout=Vin/（1－D）（7）

式中：Vin為輸入電壓的有效值；

D為開關(guān)管FET的占空比。

主電路參數(shù)為：輸入178～264Va.c.；

輸出380Vd.c.；

最大輸出功率608W。