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1、单级功率因数校正与单级功率因数校正与特殊功率因数校正特殊功率因数校正陈永真陈永真辽宁工业大学辽宁工业大学辽宁省锦州市士英街辽宁省锦州市士英街169号号为什么要功率因数校正？为什么要功率因数校正？常规的开关电源采用常规的开关电源采用AC220V直接整流，电直接整流，电容输入式滤波方式，这样做电路是最简单容输入式滤波方式，这样做电路是最简单的。的。所带来的问题是：输入电流不再是正弦所带来的问题是：输入电流不再是正弦波。与此同时，功率因数大幅度的降低，波。与此同时，功率因数大幅度的降低，约约0.6。所带来的波形畸变将影响电网供电质量与所带来的波形畸变将影响电网供电质量与安全。安全。电容输入式滤波的电
2、网侧电流波形电容输入式滤波的电网侧电流波形电容输入滤波的谐波分析电容输入滤波的谐波分析220V直接整流电容输入式滤波直接整流电容输入式滤波的功率因数的功率因数一般的一般的220V直接整流电容输入式滤波的功直接整流电容输入式滤波的功率因数约率因数约0.63次、次、5次、次、7次、次、9次、次、11次、次、13次、次、15次、次、17次、次、19次、次、21次的谐波分量为基波次的谐波分量为基波的的81%、51%、23.3%、17.4%、21.1%、17.4%、9.0%、4.7%、6.2%、5.3%波峰系数为波峰系数为2.81，其电流峰值是基波有功电，其电流峰值是基波有功电流有效值的流有效值的4.6
3、8倍。倍。采用功率因数校正后可采用功率因数校正后可以大大改善功率因数和以大大改善功率因数和谐波电流谐波电流临界电流型功率因数校正后的相关波形临界电流型功率因数校正后的相关波形临界电流型功率因数校正后临界电流型功率因数校正后功率因数可以达到功率因数可以达到0.9以上以上最高幅值的谐波也不大于基波的最高幅值的谐波也不大于基波的10%总谐波可以控制在基波的总谐波可以控制在基波的15%以下以下采用电流连续型可以将功率因数做的更高采用电流连续型可以将功率因数做的更高开关电源加入功率因数校正带来的开关电源加入功率因数校正带来的困扰困扰电路变得复杂电路变得复杂成本提高很多，这对习惯了常规开关电源成本提高很多
4、，这对习惯了常规开关电源的用户来说是很难接受的的用户来说是很难接受的如何降低添加功率因数校正部分的成本将如何降低添加功率因数校正部分的成本将是很多应用领域不需考虑的是很多应用领域不需考虑的这也是荧光灯电子镇流器不能采用功率因这也是荧光灯电子镇流器不能采用功率因数校正的最主要的原因数校正的最主要的原因降低开关电源加入功率因数校正附加成降低开关电源加入功率因数校正附加成本的有效方法本的有效方法单级功率因数校正单级功率因数校正1 应用反激式变换器同时完成功率因数校应用反激式变换器同时完成功率因数校正和正和DC/DC变换变换2 将升压性功率因数校正电路与将升压性功率因数校正电路与DC/DC变变换器的电
5、路重合部分合并，以减少器件的换器的电路重合部分合并，以减少器件的数量和电路成本数量和电路成本1、应用反激式开关电源、应用反激式开关电源原理的单级功率原理的单级功率因数校正因数校正1.1 应用反激式变换器同时完成功率应用反激式变换器同时完成功率因数校正和因数校正和DC/DC变换变换基本思路：基本思路：利用反激式变换器在电流断续状态下电感利用反激式变换器在电流断续状态下电感电流峰值与电源电压成正比（开关管得导电流峰值与电源电压成正比（开关管得导通时间固定）的特点获得与电源电压成正通时间固定）的特点获得与电源电压成正比的电感峰值电流。比的电感峰值电流。如果整流输出不接滤波电容器则整流输出如果整流输出
6、不接滤波电容器则整流输出电压随电网电压正弦变化电压随电网电压正弦变化应用反激式变换器的单级功率因数应用反激式变换器的单级功率因数校正电路框图校正电路框图电流断续型反激式变换器在正弦电压作电流断续型反激式变换器在正弦电压作用下的电感峰值电流和用下的电感峰值电流和“平均电流平均电流”波形波形对应的公式对应的公式.Sin muU t=从波形和数学推导可以看到：从波形和数学推导可以看到：将每一个开关周期的电感电流波形将每一个开关周期的电感电流波形“平滑平滑”后，可以得到这样后，可以得到这样“平滑平滑”后的电流波形的后的电流波形的组合称为组合称为“正弦正弦”波电流波形。波电流波形。这样，就获得到与电网电
7、压波形相同、相这样，就获得到与电网电压波形相同、相位相同的电流波形，从而获得位相同的电流波形，从而获得“1”的功率因的功率因数。数。应用反激式变换器的单级应用反激式变换器的单级功率因数校正电路的特点功率因数校正电路的特点由于电路需要保证交流输入电流正弦化，由于电路需要保证交流输入电流正弦化，不随瞬态负载变化，因此控制电路对瞬态不随瞬态负载变化，因此控制电路对瞬态变化的负载电流不应敏感，应表现得迟变化的负载电流不应敏感，应表现得迟钝。钝。控制电路应首先满足功率因数校正的要控制电路应首先满足功率因数校正的要求，输出稳压则是在满足功率因数的基础求，输出稳压则是在满足功率因数的基础上获得满足。上获得满
8、足。常规功率因数校正出数电容器的作用常规功率因数校正出数电容器的作用常规功率因数校正的输出有一个平滑电容常规功率因数校正的输出有一个平滑电容器，作为储能以缓冲变化的交流输入与平器，作为储能以缓冲变化的交流输入与平稳得直流输出的矛盾。稳得直流输出的矛盾。不仅如此，后级的不仅如此，后级的DC/DC变换器还具有电变换器还具有电压调节能力，这就保证了开关电源输出电压调节能力，这就保证了开关电源输出电压的平稳压的平稳存在的问题存在的问题由于平滑电容器接在整个电路的输出端，由于平滑电容器接在整个电路的输出端，中间缓冲的电容器不再存在，输出电压的中间缓冲的电容器不再存在，输出电压的平滑完全落在输出平滑电容器
9、上。平滑完全落在输出平滑电容器上。如果这个平滑电容器的电容量不是十分如果这个平滑电容器的电容量不是十分大，就可能造成输出电压纹波过大。大，就可能造成输出电压纹波过大。为了获得为了获得1Vp-p的纹波电压，需要约的纹波电压，需要约1600F/A的电容量，如果输出电流是的电容量，如果输出电流是10A，则需要，则需要16000 F的电容量。的电容量。存在的问题存在的问题然而，即使采用相对常规开关电源而采用然而，即使采用相对常规开关电源而采用超大电容量的平滑电容器，所获得的超大电容量的平滑电容器，所获得的1Vp-p的纹波电压峰值，在绝大多数的应用中也的纹波电压峰值，在绝大多数的应用中也是绝对不允许的。
10、是绝对不允许的。因此这种单级功率因数校正方式的应用是因此这种单级功率因数校正方式的应用是有问题的。有问题的。使用领域使用领域如果在输出端并联有可以恒定电压的电池如果在输出端并联有可以恒定电压的电池（如用于不停电供电电源功能）可以（如用于不停电供电电源功能）可以“消消除除”电网频率倍频的纹波电压。电网频率倍频的纹波电压。负载对电源电压变化不敏感。如负载自身负载对电源电压变化不敏感。如负载自身带有稳压电源，如笔记本电脑。带有稳压电源，如笔记本电脑。笔记本电脑电源适配器笔记本电脑电源适配器ON Semi的的NCP1651控制的控制的90W笔记本电笔记本电脑电源适配器的设计实例脑电源适配器的设计实例参
11、见参见ON Semi的的TND317-D.pdf基本性能基本性能电路电路效率曲线效率曲线输入电压为输入电压为230V时的谐波分析时的谐波分析输入电压为输入电压为100V时的谐波分析时的谐波分析还可以采用如还可以采用如SG3535、TL494等电等电压型压型PWM控制芯片实现单级功率因控制芯片实现单级功率因数校正功能，相对数校正功能，相对NCP1651而言，而言，SG3535、TL494等不具备准谐振和等不具备准谐振和低功耗待机功能。如果没有准谐振低功耗待机功能。如果没有准谐振和低功耗待机功能就可以采用和低功耗待机功能就可以采用SG3535、TL494等电压型等电压型PWM控控制芯片制芯片还可以
12、应用还可以应用TOP Switch实现实现1.2 单级功率因数校正的第二种方案单级功率因数校正的第二种方案将升压性功率因数校正电路与将升压性功率因数校正电路与DC/DC变换变换器的电路重合部分合并，以减少器件的数器的电路重合部分合并，以减少器件的数量和电路成本。量和电路成本。这就是这就是infineon的解决方案。的解决方案。电路变换思路电路变换思路很显然，电路变幻的最终结果是省掉了一个控制很显然，电路变幻的最终结果是省掉了一个控制IC和和开关管，与常规的带有开关管，与常规的带有RCD缓冲电路反激式缓冲电路反激式DC/DC变变换器相比之多了一个电感。换器相比之多了一个电感。由于这个电路是由于这
13、个电路是boost和反激式的组合，和反激式的组合，boost输出有输出有平滑电容器缓冲输入变化功率对输出的影响，因此这平滑电容器缓冲输入变化功率对输出的影响，因此这种功率因数校正方式的输出电压比较平稳。种功率因数校正方式的输出电压比较平稳。80W电视机电源电路电视机电源电路电路板图（元件排布图）电路板图（元件排布图）电路板图（电路板图（PCB）200W200W充电泵形式的单级充电泵形式的单级功率因数校正的解决方案功率因数校正的解决方案关键波形关键波形特点特点采用采用Infineon的解决方案不仅可以获得可以的解决方案不仅可以获得可以满足要求的功率因数校正指标，还可以获满足要求的功率因数校正指标
14、，还可以获得与常规开关电源相近的稳压性能（低输得与常规开关电源相近的稳压性能（低输出电压纹波），可以实现准谐振功能，具出电压纹波），可以实现准谐振功能，具有良好的低输出电压尖峰的特点。有良好的低输出电压尖峰的特点。特别是用于电视机、显示器等对输出电压特别是用于电视机、显示器等对输出电压尖峰有严格要求的电源。尖峰有严格要求的电源。2、功率因数校正的特殊方式、功率因数校正的特殊方式常规功率因数校正存在几个令人不舒服的问题：常规功率因数校正存在几个令人不舒服的问题：不具有过电流和短路保护功能；不具有过电流和短路保护功能；输出电压过高，使得后级输出电压过高，使得后级DC/DC变换器不得不采变换器不得不
15、采用比较高耐压的器件，而高电压器件的开关性能用比较高耐压的器件，而高电压器件的开关性能比低耐压的器件要差得很多。比低耐压的器件要差得很多。电网对功率因数校正的输出而言能量流是断续电网对功率因数校正的输出而言能量流是断续的，不利于效率的提高。的，不利于效率的提高。基于基于CUK电路的功率因数校正电路电路的功率因数校正电路针对上述问题，可以采用基于针对上述问题，可以采用基于CUK电路的电路的功率因数校正技术。功率因数校正技术。众所周知，众所周知，CUK电路的输入在整个开关周电路的输入在整个开关周期均可以直接向输出提供电能。期均可以直接向输出提供电能。CUK电路的问题是两级变换器，效率相对电路的问题是两级变换器，效率相对会降低、需要开关管的耐压高于电源电会降低、需要开关管的耐压高于电源电压。压。输出电压极性以输出电压急性相反。输出电压极性以输出电压急性相反。CUK变换器演化的思路变换器演化的思路针对针对CUK变换器的问题可以通过演化，避变换器的问题可以通过演化，避开缺点，发挥优点。开缺点，发挥优点。CUK变换器的演化过程变换器的演化过程特点特点通过电路的演化，变形通过电路的演化，变形CUK电路的输入输电路的输入输出电压关系以及开关管、二极管的耐压要出电压关系
