电源技术中的功率因数校正在离线式电源中的应用

离线式开关电源通常应用整流桥和输入滤波电容从输入吸收能量，大电容在接近交流输入峰值处充电以给为逆变提供能量的未经调整的 BUS 提供能量。电容的容量必须足够大，当整流后半期内线电压低于 BUS 电压时，仅由它向后续提供能量。 　　不幸的是，有输入滤波电容会导致输入电流波形不在是正弦，而是一很窄的峰值很高的电流波形，输入功率仅有 0.5~0.65 ，严重的畸变导致电网污染。线电流有效值可达两倍相同正弦电流有效值。 120V ， 15A 的线路甚至不能在不导致电路断路器动作时提供 1Kwde 输入功率。而高功率因数校正却能够提供几乎是其两倍的功率，并且损耗很低，因此在许多领域内，高功率因数校正器 功率因数校正（Power Factor Correction，PFC）在离线式电源技术中扮演着至关重要的角色。离线式开关电源通常采用整流桥和输入滤波电容来吸收交流输入能量，这些电容在交流输入电压峰值时充电，为后续的逆变器提供能量。然而，大容量的滤波电容会导致输入电流波形畸变，形成尖峰电流，功率因数降低至0.5~0.65，这不仅造成电网污染，还可能导致线路过载，如120V、15A的线路可能无法提供超过1kW的功率而不引起断路器跳闸。 高功率因数校正器的引入可以显著改善这一状况。PFC电路位于输入整流和BUS电容之间，工作在远高于交流线电压频率的频率上。它通过吸收与线电压相位相同的正弦半波输入电流，从而提高功率因数至接近0.95~0.99，减少谐波（可低于3%），并且能在90~270V的宽电压范围内无间断运行。此外，PFC还能稳定BUS电容电压，降低成本，减小滤波电容大小，提高电容的可靠性，并降低充电电流的有效值。 PFC的基本运行原理是通过控制输入电流，使其与电压同相位，达到近似纯电阻负载的效果，即所谓的“电阻竞争者”状态。输入电流控制通过一个乘法器实现，将整流输入的线电压正弦半波与控制电压相乘得到VERR，通过保持VERR的恒定来控制RMS输入电流，从而控制每个半周期从电网吸收的能量。VERR代表直流电压与参考电压的偏差，经过放大后作为误差放大器的输出，用于调整输入功率。 在功率变换过程中，高功率因数校正器的输入和输出功率几乎相等，因为其工作频率远高于工频，存储和消耗的能量可以忽略不计。常见的高功率因数校正电路是BOOST电路，其输出电压始终大于输入电压，输入电流无需关断，电感的使用减少了线路污染和电磁干扰（EMI）。晶体管的位置便于驱动，其最大电压等于电容电压。然而，BOOST电路存在一些限制，例如无法限流，没有过载和启动过电流保护，以及在输入电压低于输出电压时无法正常工作。 为了克服这些问题，需要加入斜坡补偿以确保系统的稳定性，特别是在开关占空比D大于0.5时。此外，通过降低电流内环带宽，可以直接控制电感电流的平均值，而不是峰值电流，以简化控制。不连续的电感电流模式虽然能减少纹波电流，但不适用于高功率因数校正，因为它会导致在峰值输入电压时电流下降过于狭窄。 功率因数校正技术对于优化离线式电源的效率、减少电网污染、提高设备的可靠性和兼容性具有重要意义。通过精细的设计和控制策略，PFC可以实现高效、低损耗的电源转换，满足现代电力系统对能源效率和环保的要求。