浅析几种常见的PFC拓扑

【摘要】AC/DC变换是电力电子技术在工业生产应用中较重要的一个方面。如何解决AC/DC变换中产生的谐波，以及较低的功率因数已经成为电力电子技术领域中的一个主要研究方向。本文首先从传统的AC/DC变换器拓扑分析入手，引出了功率因数基本定义、低功率因数的危害。在这之后，本文给出并简单的分析了现在常用的一些功率因数校正电路。

【关键词】功率因数校正；AC/DC变换器；高频隔离；PFC技术；电力谐波

随着电能――这一人类文明有史以来应用领域最广泛，影响人类社会工业发展最重大的能源的发现，给我们带来了极大的便利与力量，但随之而来的也有大量的问题。电能转换装置在电网中产生大量的电流谐波和无功功率而污染电网便是这诸多问题中较棘手的一个。

在这些装置中，各种AC-DC整流装置所占的比重最大。目前广泛应用的整流电路主要有二极管不控整流电路、晶闸管相控整流电路和由全控型器件构成的全控整流电路。而具体的转换主要由开关电源、不可控整流器或者晶闸管整流器来完成。其中，从380V交流电网经整流供给直流是电力电子技术及电子仪器中应用极为广泛的一种基本变流方案[1]。在含有AC/DC变换器的电力电子装置中，DC/DC变换器或DC/AC变换器的供电电源一般是由交流市电经整流和大电容滤波后得到较为平直的直流电压，如图1.1所示。

二极管不控整流电路结构如图1.1所示。二极管整流电路的优点：（1）结构简单，不需要控制电路；（2）可靠性高；（3）成本低。二极管整流电路的缺点：（1）直流输出电压不可控，交流侧输入电流一般不连续；（2）交流侧输入电流非正弦，含有大量低次谐波；（3）能量只能从交流侧传递给直流侧，直流侧能量不能回馈电网；（4）虽然位移因数接近1，但由于输入电流中谐波分量很大，所以功率因数很低，一般只能达到0.65左右；（5）引起电网电压畸变，污染电网。

图1.2所示为三相晶闸管整流电路。它可以在交流电压不变的情况下，通过改变触发角的大小来改变直流输出电压的大小，即可控整流。一般情况下，在直流侧有滤波回路（图中方框内就是滤波回路）。晶闸管相控整流电路的优点：

（1）电路已经非常成熟；（2）体积小、重量轻；（3）效率高、控制灵活。晶闸管相控整流电路的缺点：（1）交流侧输入端电流非正弦，谐波含量大，波形畸变严重；（2）输入电流滞后于电压，其滞后角随着触发延迟角a的增大而增大，位移因数也随之降低，交流侧功率因数降低；（3）由换流引起的电网电压波形畸变严重；（4）直流侧输出电压含有较大纹波；（5）由晶闸管组成的相控整流电源动态响应较慢，最快为六分之一个工频周期。

传统的AC＼DC整流电路虽然结构简单，应用广泛，但是存在较大谐波电流，功率因数偏低的弊端。其功率因数只有0.6～0.7左右，输入电流总谐波畸变THD（总谐波失真）高达100%。图1.3所示为单相二极管整流电路的输入电压和输入电流波形，功率因数过低，对电力系统的影响非常巨大，尤其对电网企业影响最大[2]：（1）当用户功率因数偏低时，需要从网上吸收无功功率，这样发电机组就要多发无功，而发无功也是需要能量的，它少发了有功，相当于降低了发电机的出力；（2）无功负荷在网上传送，白白占用了输、变、配电设备的资源，使上述设备利用率降低，而设备运行效率是以有功计算的，因而它使设备达不到额定出力，出力降低；为达到规定的出力，就要增大设备容量，提高了设备投资额；（3）无功影响电压，无功的传输和大量消耗，使系统电压不能满足要求，线路未端会电压很低，造成设备不能起车或达不到额定出力；（4）无功的缺乏，会使线路及电气设备中的电流增大，使损耗增大，即线损增加，增大电费支出。

1.功率因数的基本定义

功率因数PF的定义为：

2.新型无源PFC技术

近年来，无源功率因数校正技术也有所发展，典型的新型无源PFC技术就是利用电容二极管网络构成的填谷（ValleyFill）方式PFC整流电路，其基本结构如图1.4所示。

当输入电压高于电容和上的电压时，两个电容处于串联充电状态；当输入电压低于电容和上的电压时，两个电容处于并联放电状态。由于电容和二极管网络的串并联特性，因此这种结构增大了二极管的导通角，从而使输入电流的波形得到改善。

填谷方式PFC整流电路已应用于电子镇流器等小型电器设备，此方式虽然能够获得较高的输入功率因数，却不能很好地抑制输入电流中的谐波含量。

3.乘法器PFC技术（Multiplier PFC）

乘法器控制[3]引入一个输入电流反馈控制环，采用模拟乘法器来实现将输入电流校正成与输入电压同相位的正弦波，控制原理如图1.5所示。交流输入电压经全波整流后，再经过DC/DC变换，通过相应的控制使输入电流平均值自动跟随全波整流电压基准，同时保持输出电压稳定。这种控制方式中有两个反馈控制环；输入电流环使DC/DC变换器的输入电流与全波整流电压波形相同，输出电压环使DC/DC变换器输出端成为一个直流电压源。

4 电压跟随器型PFC技术（Voltage Follower PFC）

80年代后期，Doc.S.D.Freeland首先提出了利用不连续导电模式进行功率因数校正的概念，有人称之为自动功率因数校正技术。K.H.Liu首先应用“电压跟随器”（Voltage Follower）这个词来描述这一类有源功率因数校正技术。

基本电压跟随器型PFC电路可用图1.6所示的Boost变换器来说明，以其工作在电流连续与断续的临界为例，根据电路理论可推出在每一个开关周期的导通期内通过电感的电流表达式为：

在上式中，D为开关脉冲的占空比，T为开关脉冲的周期，L为输入电感，为输入电压。电感电流线性上升，当时，电感电流达到最大值，因此在每一个开关周期内，输入电流的峰值为：

由式（1-5）可知，当占空比和开关周期不变时，输入电流的平均值正比于输入电压。因而不再需要输入电流控制环，输入电流的平均值也能够自动“跟随”输入电压，则当输入电压按正弦规律变化时，输入电流平均值也为正弦波形。

5.单开关三相PFC拓扑

Boost型单开关三相PFC整流器

按照输入类型，单开关三相[4]PFC可分为电感输入型、电容输入型、谐振输入型和Buck-Boost输入型。图1.7所示电路为三相单开关Boost型PFC整流器（电感输入型），其基本原理可认为是单相电流断续式（DCM）PFC在三相的延伸。设开关频率远高于电网频率，在开关周期里，输入电压近似不变，在开关管导通期间，电感电流线性上升，电流峰值和平均值正比于相电压；开关关断期间，电感能量释放到负载，电流线性下降。一个开关周期内，电感电流近似为三角形，平均电流与输入电压近似成正比，从而达到功率因数校正的作用。

这种的电路具有开关元件少、成本低、开关器件工作在零电流开通和开通损耗小等优点。在中小功率的三相PFC电路中目前应用较多。

6.多开关三相PFC拓扑

三相高频PWM整流器：

图1.8是六开关的三相高频PWM整流器，开关器件为IGBT。同SPWM逆变器电路控制输出电压类似，可在PWM整流电路的交流输入端A、B、C之间产生一个正弦波调制三相PWM电压，它们除了含有与电源同频率的基波分量外，还含有与开关频率有关的高次谐波。由于每一相电感的滤波作用，这些高次谐波电压只会使交流输入电流产生很小的脉动。如果忽略这种脉动，输入电流就为频率与电源频率相同的三相正弦波电流。在交流电源电压一定时，三相输入电流的幅值和相位由整流桥输入端电压中基波分量的幅值及其与交流电源电压的相位差决定。改变整流桥输入端电压基波分量的幅值和相位，就可以使三相输入电流分别与三相电源电压同相位，电路工作在整流状态，且输入功率因数为1。这就是高频PWM整流电路的基本原理[5]。

7.新型单级隔离式全桥PFC变换器

图1.9中给出的是一种新型的高频变压器隔离的单级PFC的主电路拓扑，四个主开关管在理想工作状态时，S1，S3和S4工作于ZVS状态，S2在满载到大约80%负载（临界负载）范围内可以实现ZVS状态，为了保证S2可以在更低的负载范围内保持ZVS状态，主电路拓扑中另外加入了一个辅助支路，包括Lr，Da1，Da2和辅助开关管Sa，辅助支路耗能很少，当储能电感L1上流过的电流工作于不连续状态时，S2失去ZVS开通条件，此时辅助支路工作，不但为S2提供ZVT开通，而且可以保证其零电流关断。

由于篇幅有限，本文无法一一分析更多的新型PFC技术方案，但是相信随着电力电子技术的深入发展，成本低、结构简单、容易实现，并且具有软开关性能、高响应速度、低输出纹波的单级隔离高功率因数变换器是研究人员追求的最终目标。

参考文献

[1]W.A.Tabisz，M.M.Jovan ovic and F.C.Lee.Present and future of distributed power system，IEEE APEC Record，1992：11-18.

[2]严百平，刘健，程红丽.不连续导电模式高功率因数开关电源[M].科学出版社，2000：11-28.

[3]张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京：电子工业出版社，2006：191-194.

[4]徐德鸿.三相高功率因数整流器的发展与现状[J].江苏机械制造与自动化，2000（4）：6-10.

[5]熊健，康勇，断善旭，等.三相电压型PWM整流器控制技术研究[J].电力电子技术，1999（2）：5-8.