开关电源功率因素校正（PFC）及其工作原理.pdf

开关电源广泛应用于电源领域中，因其效率高、功率密度高而占据主导地位。然而，传统开关电源的功率因数相对较低，一般在0.45至0.75之间。功率因数低意味着电源对电网的利用率不高，而且会产生大量的无功分量，主要以高次谐波的形式存在。例如，3次谐波的幅度可达基波幅度的95%，5次谐波可达70%，7次谐波可达45%，而9次谐波也达到了25%。这些高次谐波电流会导致电网污染，因此，国际电工委员会（IEC）制定了限制高次谐波的国际标准，即IEC1000-3-2D类。该标准已被美国、日本、欧洲等发达国家强制执行，并已在我国得到应用。为了减小谐波对电网的影响，更多的电源设计需要集成功率因数校正（PFC）功能。 功率因数校正技术根据电网供电方式可分为单相PFC电路和三相PFC电路，而根据校正机理则可以分为无源功率因数校正（PPFC）和有源功率因数校正（APFC）。PPFC技术通常由大容量的电感、电容构成，其主要目的是通过滤波电容充电电流尖峰来减小谐波。但是，由于体积较大，该技术更适合于对重量体积要求不高的小型设备。APFC技术则使用一个转换器，串入整流滤波电路和DC/DC转换器之间，通过控制输入电流跟随输入电压，并通过反馈输出电压来稳定，从而实现功率因数校正。APFC的体积更小，设计更易于优化，因此性能更佳。 功率因数校正技术主要可以分为两大类：单相高频开关电源和三相开关电源。针对单相高频开关电源，有源功率因数校正（APFC）技术又可进一步细分为电压跟随器型和乘法器型。其他如三电平PFC技术、单周期控制的PFC技术和不连续电容电压模式PFC技术等，都是单相有源功率因数校正的不同实现方式。根据软开关技术的不同，APFC技术又可分为零电流开关（ZCS）PFC和零电压开关（ZVS）PFC，以及根据具体实现方法的并联谐振型、串联谐振型、串并联谐振型和准谐振型等。 控制方法方面，APFC电路可分为脉宽调制（PWM）、频率调制（FM）、数字控制、单环电压反馈控制和双环电流模式控制等。而从拓扑结构上分，单相有源功率因数校正技术可分为两级模式和单级模式。两级有源功率因数校正技术一般由两部分组成：第一部分为PFC转换器，目的是提高功率因数并抑制高次谐波；第二部分为DC/DC转换器，目的是进行输出调节以匹配负载。两级PFC电路在功率较大的场合应用较多，但其缺点是增加器件数目和成本，并且效率因两次能量转换而降低。对于小功率场合，一般采用单级功率因数校正技术，它将PFC转换器和DC/DC转换器合二为一，共用一套开关管和控制电路，以减少设备和成本。