电子产品世界

前级从220V交流电网整流提供直流是在电力电子技术及电子设备中应用极为广泛的一种基本变流方案。但整流器;电容滤波电路是一种非线性器件和储能元件的组合，因此虽然输入交流电压是正弦波，但输入电流波形却严重畸变，呈脉冲状，含有大量的谐波，使输入电路的功率因数达不到0.7。

由于常规整流装置使用晶闸管或二极管，整流器件的导通角远小于180°，从而产生大量谐波电流成分，而谐波电流不做功，只有基波电流做功，功率因数很低。全桥整流器电压和电流波形如图1-1所示。

图1-1全桥整流器电压和电流波形

因此，必须采取适当的措施来减小输入电流波形的畸变，提高输入功率因数，以减小电网污染。如信息产业部在通信电源的入网检测中就要求1500W以上的电源设备，其功率因数必须高于0.92；以下的电源设备，其功率因数必须高于0.85。

目前，主要用来提高功率因数的方法有)电感无源滤波，这种方法对抑制高次谐波有效，但体积大，重量大，在产品设计中其应用将越来越少；逆变器有源滤波，对各次谐波响应快，但设备造价昂贵；三相高功率因数整流器，效率高、性能好，近年来其控制策略和拓扑结构处于不断发展中。单相有源功率因数校正(APFC),通常采用Boot电路，CCM工作模式，因其良好的校正效果，目前在产品设计中得到越来越广泛的应用。

(1)谐波

图1-2电流波形中的谐波成分

图1-2显示了电流波形中的谐波成分，基波(在本例中为60Hz)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(数学上称为函数)则频谱会变平坦，这意味着所有谐波的幅度均相同。

从前面的描述可以清楚地看到，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：

PF=Kd×K (1-2)

Kd=

式中，Kd为失真系数；K为输入电流的基波分量和输入电压的相角系数。

因此，当输入电流的基波分量和输入电压同相时，K=1且

PF=Kd×K=Kd

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。对纯正弦波电压和电流而言，由于它的总谐波成分为零，所以波形失真系数为1，并且正弦波电压和电流之间相位差为0，从而电源输入侧的功率因数就为1，如果正弦波电压和电流之间相位差不为0，则电路的功率因数是它们相位差的余弦值。

当=0，时(为计算方便)，功率因数与THD间存在如表1-1所示的关系。可见，当THD≤5%时，功率因数可控制在0.999左右。由此得出，10%的THD对应大约于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”的目标。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。

表1-1功率因数与THD间关系

因此，如何消除和抑制谐波对公共电网的污染，提高功率因数成为当今国内外电源界研究的重要课题。PFC，技术应用到新型开关电源中，已成为新一代开关电源的主要标志之一。

（4）不良功率因数的成因

由PF=可知，PF值由以下两个因素决定：一是输入基波电压与输入基波电流的相位差，二是输入电流的波形畸变因数。

①相控整流电路

对于常见相控整流电路，其基波电压和基波电流的位移因数如表1-2所示。

表1-2常见相控整流电路基波电压和基波电流的位移因数

功率因数低的主要原因是基波电压和基波电流位移因数，即受可控硅控制角的影响，使电流滞后于电压，即≤1。改善功率因数的措施，一般是在负载端并联一个性质相反的电抗元件。若电网呈感性，通常采用电容补偿的方法。

关键词： 开关电源 功率因数校正 电网谐波 PFC