PFC基础知识浅析

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摘 要 本文介绍了谐波产生的原因、谐波的危害和PFC的主要实现方法。

关键词 功率因数；谐波；PFC

在学习PFC电路的工作原理之前，我们先了解一下什么是PFC。PFC（Power Factor Correction）——功率因数校正。PF就是“功率因数”的意思，主要用来表征电子产品对电能的利用效率。功率因数越高，说明电能的利用效率越高。功率因数可简单地定义为有功功率（P）与视在功率（S）之比。

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有效值与电压的有效值的乘积。效率就是输出功率除以输入功率的百分比。电源在工作过程中，有部分电能转换成热量损耗掉了。因此，电源必须尽量减少热量的损耗。尽管功率因数和转换效率都是指电源的利用率，但区别却很大。简单地说，功率因数产生的损耗是电力部门负担，而转换效率的损耗是用户自己负担。可以看得出来，功率因数、EMI等都是对国家电网的保护。我们为什么在我们的电源中要增加PFC电路，不加PFC电路会有什么后果。在了解这些之前，我们需要先知道另一个概念——谐波。

从220V交流电网经整流供给直流，是当今电力电子技术中应用最为广泛的一种基本变流方式。输入电路通常由半波或全波整流器和后面的储能电容组成。 整流器+滤波电容是一种非线性的元件组合，因此，开关电源对于电网表现为非线性负载。而当工频电压或电流作用于非线性负载时，就会产生不同于工频的其他频率的正弦电压或电流。 这些不同于工频频率的正弦电压或电流，用傅立叶级数展开，就是人们称的电力谐波。

谐波的危害：理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化。近三四十年来，各种电力电子装置的迅速发展使得公用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性才引起人们高度的关注。谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面。

（1）谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。（2）谐波影响各种电气设备的正常工作。 谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。（3）谐波会引起公用電网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使得上述（1）和（2）的危害大大增加，甚至引起严重事故。（4）谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。（5）谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致住处丢失，使通信系统无法正常工作。

正因为谐波有这么多的危害，所以我们必须要对谐波进行抑制，这样，就引出了我们PFC电路的主要作用——谐波抑制。谐波的抑制：为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条：一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的；另一条是对电力电子装置本身进行改造，使期不产生谐波，且功率因数可控制为1，这当然只适用于作为主要谐波源的电力电子装置。

装设谐波补偿装置的传统方法就是采用LC调谐滤波器。这种方法既可补偿谐波，又可补偿无功功率，而且结构简单，一直被广泛使用。这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使LC滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不甚理想。

对于电源产品来说，目前使用最广泛的方式，就是对电源本身进行改造，在输入端增加有谐波改善功能的电路——就是所谓的PFC电路。所以简单来说，PFC电路的作用就是减少电源产生的谐波，使电源的功率因数尽可能靠近1。

PFC主要的实现方法：之前我们曾经提到，功率因数可以定义为有功功率（P）与视在功率（S）之比。在线性电路中，阻抗Z=R+jX。其中，R为电阻，X为电抗。无论是感抗或容抗，均会使正弦电压和电流波形产生相位差，但电压、电流均为正弦波。所以在线性电路中，功率因数描述了负载的电抗特性，其定义为PF=cosØ

其中，cosØ是正弦电流波形相对于电压波形的相位差。当负载为纯阻性时，电压与电流波形同相，此时PF=1。而在非线性电路中，当电源电压为正弦波时，输入电流波形发生正弦畸变，导致功率因数很低，简单的相移功率因数已经不能正确反映这种关系，因为非线性负载的功率因数与电流波形的失真情况紧密相关。为此，非线性负载的功率因数定义为

利用功率因数校正技术可以使交流输入电流波形完全跟踪交流输入电压波形，使得输入电流波形呈纯正弦波，并且和输入电压同相位，此时整流器的负载可等效为纯电阻，所以有的地方又把功率因数校正电路叫作电阻仿真器。