工程師詳解PFC在電源設(shè)計(jì)中的作用

　　在2005年最新的IEC61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)生效以前，大多數(shù)PC、顯示器和電視機(jī)的電源在采用110至120V，60Hz的單相交流電供電時(shí)都會(huì)產(chǎn)生過(guò)量的電源線諧波。在這個(gè)更新更嚴(yán)格的IEC標(biāo)準(zhǔn)的推動(dòng)下，電源廠商開(kāi)始通過(guò)增加功率因數(shù)校正（PFC）來(lái)最大限度地減少電源線諧波。

　　為了解IEC61000-3-2的影響，最好先了解一下直接穿過(guò)電源線放置負(fù)載電阻（R）的理想情況（圖1）。在這種情況下，正弦線路電流IAC與線路電壓VAC成正比，且與該電壓同相。因此：

　　這意味著，對(duì)于效率最高的無(wú)失真電源線操作來(lái)講，所有的負(fù)載都應(yīng)作為有效電阻（R），而消耗和提供的功率是RMS線路電壓和線路電流的乘積。

　　不過(guò)，許多電子系統(tǒng)的負(fù)載都需要交流到直流的轉(zhuǎn)換。在這種情況下，典型電源的電源線上的負(fù)載由一個(gè)驅(qū)動(dòng)電容的橋式二極管組成（圖2）。它是電源線的非線性負(fù)載，因?yàn)榇藰蚴秸髌鞯膬蓚€(gè)二極管都位于輸入交流電源線電壓的正半周期或負(fù)半周期的直接電源通路中。此非線性負(fù)載僅在正弦電源線電壓的峰值期間汲取電源線電流，這樣會(huì)產(chǎn)生“多峰”輸入電源線電流，從而引起電源線諧波（圖3）。

　　非線性負(fù)載可使諧波大小與線路頻率下的基本諧波電流具有可比性。圖4顯示了相對(duì)于線路頻率下的基本諧波大小進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的高階諧波電流大小。不過(guò)，只有圖1 中給出的在與線路頻率相同的頻率下且與電源線電壓同相的諧波電流（在此案例中為線路頻率下的基本諧波）對(duì)提供給負(fù)載的平均功率起作用。這些諧波電流會(huì)影響同一電力線上的其他設(shè)備的工作情況。

　　如果θ=0°，則cosθ = 1且P = IRMS * VRMS，這與電阻負(fù)載的情況相同。當(dāng)PF為1時(shí)，負(fù)載消耗電源提供的所有能量。

　　如果θ=90°，則cosθ = 0；因此負(fù)載收到的功率為零。提供功率的發(fā)電機(jī)必須提供IRMS * VRMS的功率（即使沒(méi)有功率用于做有用功）。

　　因此，對(duì)于圖2中的二極管橋式電容器案例，式2的PF定義中剩下的唯一一個(gè)變量就是線路電流IRMS，因?yàn)榫€路電壓（VRMS）已通過(guò)電源線發(fā)電機(jī)固定至120V。電源線為提供給負(fù)載的給定平均功率而汲取的IRMS越高，功率因數(shù)（PF）就越低。圖2中的AC-DC轉(zhuǎn)換器采用120V的交流電源線電壓供電，并向負(fù)載提供600W的功率，同時(shí)汲取10A的線路電流，該轉(zhuǎn)換器的PF = 0.5。不過(guò)，圖1中PF為1的電阻負(fù)載僅從電源線中汲取5A的電流（該負(fù)載從120V交流電源線中汲取600W的功率）。

　　電力公司會(huì)因低PF負(fù)載而遭受損失，這是因?yàn)殡娏颈仨毺峁└叩陌l(fā)電能力，從而滿足由于負(fù)載的低PF而產(chǎn)生的更大的線路電流的要求。不過(guò)電力公司只會(huì)按提供的平均功率（單位為瓦特）向用戶收費(fèi)——而不是按產(chǎn)生的伏安收費(fèi)。

　　伏安與瓦特之間的這種差別要么以發(fā)熱的形式出現(xiàn)，要么反過(guò)來(lái)體現(xiàn)到交流電源線上。校正這種情況的最常見(jiàn)方法是采用功率因數(shù)校正。

　　功率因數(shù)校正

　　IEC-61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)定義了給定功率級(jí)別允許的最大諧波電流。該標(biāo)準(zhǔn)1995年和2001年的初始版本已被2005年的版本3更新。2005年版本3對(duì)每相耗費(fèi)的功率在75至600W之間，耗費(fèi)的電流≤16A的（D類）PC、顯示器和電視機(jī)的電源線諧波電流提出了更加嚴(yán)格的要求。為滿足這些要求，設(shè)計(jì)工程師必須在D類電源中采用有源功率因數(shù)校正（PFC）。

　　許多PFC電路都采用升壓轉(zhuǎn)換器。傳統(tǒng)的PFC升壓轉(zhuǎn)換器中的一個(gè)限制因素是它只能由整流后的交流電源線供電，而這種電源線涉及兩級(jí)功率處理（圖5）。轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的波形更好地說(shuō)明了這個(gè)問(wèn)題（圖6）。此外，無(wú)法通過(guò)簡(jiǎn)單有效的方法在傳統(tǒng)升壓轉(zhuǎn)換器中引入隔離。

　　采用升壓轉(zhuǎn)換器的全橋擴(kuò)展（然后作為PFC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制）是一種引入隔離的方法（圖7）。不過(guò)，這種方法需要在初級(jí)增加四個(gè)晶體管，在次級(jí)增加四個(gè)二極管整流器（晶體管和整流器均在100kHz的開(kāi)關(guān)頻率下工作），從而增加了復(fù)雜性。此外，四個(gè)增加的二極管位于以50/60Hz的線路頻率工作的輸入橋式整流器中。

　　除了低頻正弦電流之外，線路電流還將在高開(kāi)關(guān)頻率下疊加輸入電感紋波電流，這需要通過(guò)交流電源線上的一個(gè)額外的高頻濾波器進(jìn)行濾波。由于增加了12個(gè)在硬開(kāi)關(guān)模式下工作的開(kāi)關(guān)，因此造成了較高的傳導(dǎo)和開(kāi)關(guān)損耗。據(jù)報(bào)道，這種兩級(jí)方法及輔助開(kāi)關(guān)器件的最高效率為87%。

　　由于升壓直流轉(zhuǎn)換增益的影響，這種方法還會(huì)出現(xiàn)啟動(dòng)問(wèn)題。它需要額外的電路對(duì)輸出電容進(jìn)行預(yù)充電，以便轉(zhuǎn)換器能夠啟動(dòng)。

　　要實(shí)現(xiàn)1kW或1kW以上的功率，設(shè)計(jì)工程師經(jīng)常采用三級(jí)方法（圖8）。在圖8中，標(biāo)準(zhǔn)升壓PFC轉(zhuǎn)換器和隔離降壓轉(zhuǎn)換器位于輸入的橋式整流器之后。這總共需要14個(gè)開(kāi)關(guān)。其中至少六個(gè)開(kāi)關(guān)為高壓開(kāi)關(guān)，這樣就進(jìn)一步降低了效率，增加了成本。盡管如此，在使用最好開(kāi)關(guān)器件的情況下，最高效率能夠達(dá)到90%左右，該頻率仍比兩級(jí)方法的效率要高。

　　如要實(shí)現(xiàn)中低功率，則有一個(gè)替代方法，該方法通過(guò)采用前向轉(zhuǎn)換器作為隔離級(jí)來(lái)減少開(kāi)關(guān)數(shù)量（圖9）。在采用這個(gè)方法之前，必須注意這一點(diǎn)：雖然現(xiàn)在有10個(gè)開(kāi)關(guān)，但與全橋式方案相比，正向轉(zhuǎn)換器中的四個(gè)開(kāi)關(guān)器件向初級(jí)和次級(jí)開(kāi)關(guān)施加了更大的電壓應(yīng)力。此外，全橋式方案還需要