PFC基础概述之功率因数与规范要求解答

1、摘要

功率因数校正电路对离线电源的输入电流波形进行整形，以使从电源吸取的有功功率最大化。在理想情况下，电器应该表现为一个纯电阻的负载，此时电器吸收的反射功率为零。在这种情况下，本质上不存在输入电流谐波。电流是输入电压（通常是一个正弦波）的完美复制品，而且与其同相。在这种情况下，对于进行所需工作所要求的有功功率而言，从电网电源吸收的电流最小，而且还减小了与配电发电以及相关过程中的基本设备有关的损耗和成本。由于没有谐波，也减小了与使用相同电源供电的其他器件之间的干扰。当今众多电源采用PFC的另一个原因，是为了符合规范要求。现在，欧洲的电气设备必须符合欧洲规范EN61000−3−2。这一要求适用于大多数输入功率为75 W或以上的电器，而且它规定了包括高达39次谐波在内的工频谐波的最大幅度。虽然美国还没有提出此类要求，但是希望在全球销售产品的电源制造商正在设计符合这一要求的产品。

定义

功率因数校正可简单地定义为有功功率与视在功率之比，即：

其中有功功率是一个周期内电流和电压瞬时值乘积的平均值，而视在功率是电流的rms值与电压的rms值的乘积。如果电流和电压是正弦波而且同相，则功率因数是1.0。如果两者是正弦波但是不同相，则功率因数是相位角的余弦。在电

工基础课程中，功率因数往往就是如此定义，但是它仅适用于特定情况，即电流和电压都是纯正弦波。这种情况发生在负载由电阻、电容和电感元件组成，而且均为线性（不随电流和电压变化）的条件下。

因为输入电路的原因，开关模式电源对于电网电源表现为非线性阻抗。输入电路通常由半波或全波整流器及其后面的储能电容器组成，该电容器能够将电压维持在接近于输入正弦波峰值电压值处，直至下一个峰值到来时对电容再进行

充电。在这种情况下，只在输入波形的各峰值处从输入端吸收电流，而且电流脉冲必须包含足够的能量，以便在下一个峰值到来之前能维持负载电压。这一过程通过在短时间内将大量电荷注入电容，然后由电容器缓慢地向负载放

电来实现，之后再重复这一周期。电流脉冲为周期的10%到20%是十分常见的，这意味着脉冲电流应为平均电流的5到10倍。图1描述了这种情况。

请注意，尽管电流波形有严重失真，电流和电压仍可以完全同相。应用“相位角余弦”的定义会得出电源的功率因数为1.0的错误结论。

图2显示了电流波形的谐波内容。基波（在本例中为60 Hz）以 100%的参考幅度显示，而高次谐波的幅度则显示为基波幅度的百分比。注意到几乎没有偶次谐波，这是波形对称的结果。如果波形包含无限窄和无限高的脉冲（数学上

称为δ函数），则频谱会变平坦，这意味着所有谐波的幅度均相同。顺便说一下，这个电源的功率因数大约为 0.6。

作为参考，图 3 显示了功率因数校正完好的电源输入。它的电流波形和电压波形的形状和相位都极为相似。注意到它的各输入电流谐波几乎都为零。

功率因数校正和谐波削减的关系

从前面的描述可以清楚的看到，高功率因数和低谐波是一致的。但是，它们之间没有直接的关系，总谐波失真和功率因数的关系体现在下列等式。

THD表示：谐波失真。谐波失真是指输出信号比输入信号多出的谐波成分。谐波失真是系统不是完全线性造成的。所有附加谐波电平之和称为总谐波失真：

其中Kd是失真系数，等于：

因此，当输入电流的基波分量和输入电压同相时，Kθ = 1，且：

如前所述，即使是完美的正弦电流，只要它的相位和电压不一致，也会得出欠佳的功率因数。

则，得出功率因子与谐波失真的关系：

由此得出，10%的THD对应大约等于0.995的功率因数。显然，无论是从电流的最小化还是减小对其他设备的干扰角度来看，对每个谐波设定限制可以更好地完成控制输入电流“污染”的任务。虽然这个对输入电流进行整形的过程通常被称作功率因数校正，但在国际规范中，通常以谐波含量来衡量整形是否成功。

功率因数校正的类型

图 3 所示的输入特性由“有源”功率因数校正获得，把开关模式升压转换器置于输入整流器和储能电容之间，转换器由比较复杂的 IC 进行控制，它的附加电路能对输入电流进行整形，以匹配输入电压的波形。这是在当今电源中最常用的 PFC 类型。但并不是唯一的类型。没有规则要求 PFC 必须由有源电路（晶体管、IC 等）构成。任何能够使得谐波低于规范限制的方法都是允许的。

结果表明，在与有源电路相同的位置上放置电感也可以达到限制谐波的目的。一个足够大的电感会减小电流的峰值，并且在时间上将电流波形展宽来减少谐波以使之符合规范。这种方法已经在一些台式个人计算机电源中得到应用，其电感的尺寸（大约为 50mm 3 ）及其重量（铁心和铜绕组）是可以接受的。在功率水平超过典型个人电脑功率(250W)的情况下，由于受到尺寸和重量的限制，很少使用这种无源方法。图 4 显示了三个不同的 250W 计算机电源的输入

特性，所有的电流波形具有相同的比例系数。