浅谈功率因数校正PFC

侯绪同

天津航空机电有限公司 天津 300300

摘要：PFC（功率因数校正）是指减小开关变换器的输入电流的谐波，使其满足要求，根据是否采用了有源器件分为有源PFC和无源PFC。无源PFC结构简单，成本低，电磁干扰小，适用于小功率；有源PFC的输入功率因素较高，体积小，应用广泛，一般结合于升/降压转换器、正反激电路等各种转换器使用，工作于各种电流模式。

关键词：PFC；无源；有源；滤波

无源PFC，初始是简单利用电感和电容形成滤波电路，以减小电路谐波，随着技术的发展，在电路中加入二极管，缓冲电路中电容的浪涌电流，提高电路的功率因数。无源PFC的发展包括有控制方法的改进和电路拓扑的改进。

首先是对无源PFC的控制方法进行分析，2007年格力提出了一种无源PFC，利用电流检测电路，其中的电感组成的滤波电路不仅仅在整流电路导通的前期，强制短路交流电源，改善电源输入电流的波形；在整流电路导通的后期，依然强制短路交流电源，使输入电流波形的正弦度更高。2015年欧普公司提出了一种PFC电路，涉及到了过零检测，利用包含有初级和次级线圈的变压器、限流电阻和偏置电阻，在过零检测时，由于偏置电阻的存在，添加了偏置电压，能够精确的检测到电压过零点，提高电路的功率因数，并且能够保证电感电流的连续性。

其次在电路拓扑发展中，2009年哈尔滨工业大学提出了一种无源箝位PFC电路，属于单级桥式PFC，通过在直流电压母线上连接升压电感、包括有四个可控开关的桥式电路、二极管和箝位用的电容，并且，将桥式电路的两个桥臂的中心点依次连接有变压器、输出整流电路、滤波电容和负载，通过对四个可控开关进行切换控制，解决输出电路工频纹波大的问题，实现功率因数校正。2010年艾默生提出了一种三态三电平PFC电路，包括电感、复合三态开关、两个电容。利用复合三态开关组成三态三电平PFC电路，利用PWM实现开关管的切换，使电路输出不同的模态，使得输入电流小于常见的三电平PFC的输入电流，且开关频率是常用三电平电路的一半，降低了多态三电平PFC的开关频率，显著提高了电路的转换效率。2012年奥克斯提出了一种无源PFC，电路包括有整流桥、电抗和电容，电感与二极管串联后再与电容并联形成PFC电路，并将该PFC电路置于整流桥后。电路中的电感使输入电流滞后于电压，电容使电流超前于电压，从而能够互补以提高PF值。电感与电容并联又能够阈值电路中的谐波，该无源PFC电路便是在LC滤波电路中仅增加了一二极管就能很好的抑制谐波电流，使用很简单。2013年天津一公司提出了一种无源PFC电源电路，包括电源、电感、电容、电阻和整流桥，交流电源与电感L和电容C串联成一回路，电感L的两端并联电容C，电容C1并联在桥式电路的输入端，桥式电路的输出端与滤波电容和电阻并联，重点在于对实现滤波作用的电感和电容进行选型和优化，实现无源校正，提高电路的PF。2014年华南理工大学公开了一种高效率无源PFC电路，其应用到了互感填谷电路，互感填谷电路由二极管、电容和变压器构成，通过将变压器的初级线圈和两个次级线圈分别视为三个电感，与二极管和电容形成无源PFC，利用电容和电感形成谐振，将输入电流与输入电压形成正比例关系以提高电路的功率因数。2015年ABB公司提出一种无桥PFC电路，电路包括有切换模块，切换模块将电容设置在电源输入端和输出端之间，利用低频半导体开关的切换，在交流输入端正半周，使电容与电源第一输入端子和输出端连接；在交流输入负半周，时电容与电源第二输入端和输出端连接。也就是说，针对不同的输入电压，利用两个不同的LCL滤波器实现功率因数校正，并且，该电路结构进一步降低了电路的共模电压。2015年深圳亿思腾达公司提出了一种无源功率因数校正电路，其中的电荷泵电路只需要两个电容和一个二极管，结构简单，利用电容的充放电特性，将整流电路输出的能量转移到电解电容，保证电流为正弦波，使其与输出电压同相位，使电路具有较高的功率因数。同年还提出有一种无源PFC，通过在无源功率因数中加入辅助电路增加整流桥的导通角，降低电路的谐波成分，减小电流谐波，该辅助电路由简单的电容、电感和二极管组成，是一种含有元器件较少的PFC电路。2017年长虹电器提出了一种无源PFC的双反激电源，利用两个反激电路的电感和电容形成振荡电路，在电源工作时，利用LC电路进行储能，并利用电容进行滤波，减小开关的关断尖峰，减小高频信号对电路的影响，适用于大功率设备，提高电路的PF。

无源PFC由于其功率因数并不高，因此，应用并不广泛。目前致力于有源PFC的研究较多，有源PFC通常能够达到0.98以上，能够更好的提高电路的功率因数，其发展同样涉及到电路结构和方法控制。

首先是控制方法的发展，2008年，海尔集团提出了一种部分有源功率因数校正电路，通过检测整流电路输出的电流实时值，根据实际获得的电流波形，得出一与实际波形最高点、最低点、频率都相同的正弦波形为期望的电流波形；通过比较实时电流波形和期望电流波形之间的差值，控制可控开关，以实现实时波形与期望波形一致，从而提高电路的功率因数。2010年，美的公司提出了一种部分PFC，电路主要包括电流检测、过零检测、电感、二极管、开关、电压检测；通过设置较小的电压、电流采样电路时间，电流检波时间常数在10毫秒～500毫秒；电压检波时间常数10毫秒～500毫秒，以在市电发生波动时，部分PFC才能快速反应，及时调节。2014年金升阳提出了一种PFC控制方法，由于PFC一般工作在市电状态下，首先检测市电输入交流电压，将该电压与一标准的正弦波基波进行减法运算，获得一带有基波的失真信号，利用该失真信号控制PFC电流，使得PFC的电流在市电的半波波形中，负载瞬间变化时，当出现重载时，消耗很小的电流，在轻载时，消耗较大的电流，以减小市电电压波形失真，也就是说，该方法在负载存在畸形变化时，也能很好的提高电路的功率因数，很好的适用于风力和光伏发电。

其次是电路结构的研究，2010年中国航天七七一研究所提出一种高功率因数电路，在LED光源的两端并联一种填谷式功率因数矫正电路使通过LED的电流波形为交流脉动波形，省去了安装AC/DC转换电路，降低故障率，节约成本，并能提高功率因数。其中的填谷式PFC电路包括两个电容和相互串联的三个二极管，二极管D1的负极和电容C1的正极接LED的正极端子；二极管D3的正极和电容C2的负极接LED光源的负极端子；电容C1的负极连接二极管D2与二极管D3的串联结点；电容C2的正极连接二极管D1与二极管D2的串联结点。也就是说，利用填谷式PFC改善输入交流波形，使LED光源的PF提高到0.9以上。2011年福州大学提出了一种BOOST电路与BUCK电路集成的无桥单级PFC电路，包括有多个功率开关管，通过功率开关管，电容和二极管组成一无桥BOOST电路与一个BUCK电路，其中的功率开关管既是无桥BOOST电路的开关管，又当作为BUCK电路的开关管；电容储存BOOST电路输出的能量，并为BUCK电路的负载提供能量。很好的将PFC和DC/DC转换电路结合在一起，使用较少的电子器件，提高了电路转换效率，降低了成本。2012年TCL提出了一种有源功率因数校正电路，利用控制芯片根据检测到的输入的交流电的过零信号，经过一定的延时后，生成IGBI的驱动信号，通过IGBT的导通和关断对电感进行充电，减少用电对象对电网的干扰，提高电路的可靠性。2014年奇瑞提出了一种包括有PFC的开关电源，其包括有PFC电路和DC‑DC转换电路，主要在于，PFC电路包括一无线发射模块，DC‑DC转换电路也包括有一无线发射模块， 两个电路通过无线发射模块收发信息，实现了PFC电路、DC‑DC转换电路和外部设备之间的通信，通过无线发射模块来收发故障码，从而实现了远程访问和维护，将PFC电路应用于智能系统。

本文对PFC进行了简单的分析，使技术人员能够快速了解其发展的现有技术，在科技研发时，提高工作效率。