功率因数校正器设计的理论与实践基础-嘉兴斯达半导体股份有限公司.PDF

嘉兴斯达半导体有限公司 STARPOWER SEMICONDUCTOR LTD. 2010—05—19 功率因数校正器设计的理论与实践基础 Norman Day 简介 就开关电源设计领域而言,针对各类产品本身效率提升的研究、相 关谐波含量标准的完善,功率因数校正器的设计探讨乃至于应用端实际 产品都已经非常的成熟。但对变频器或家电的马达驱动器而言,由于绿 色能源的意识提升,功因校正的概念和要求在最近几年被广泛重视与推 广。 文中除了介绍功率因数的基本概念外,重点在以斜率补偿的原理推 导为出发,探讨其对在达到高功率因数的影响,希望以较贴近工程的角 度来切入,能对想要了解功因较正的初学者甚至已有经验的设计者会有 一些帮助，若有谬误之处也期望先进不吝指正。 功率因数的基本概念: 什么是功率因数?大部份的人会回答是电流落后或超前电压的相角, 再套入余弦函数所求得的数值。事实上这样的回答并不准确,因为一旦 系统中有主动或非线性元件,这个数值就只是功率因数的一部份,而不 是所谓的功率因数。较精确的说法应回到功率因数的基本定义,即 实际 功率和视在功率的比值,如数学式(1)所示: T 1 v t •i t dt T ∫ ( ) ( ) (1) PF 0 I •V rms rms 图(一)是一个典型的弦波电压经过整流后的电流和电压的相对波 形,输入电流的波形不会像馈入线性负载网络后只有相角的偏移,还带 有严重失真。原因是当桥式整流的输出端电压高过输入电压时,二极管 的状态为逆偏,因此没有电流会通过二极管流入负载侧。 1 Application Note AN9005 V0.0 嘉兴斯达半导体有限公司 STARPOWER SEMICONDUCTOR LTD. 对一个像这样畸变的电流波形作傅利叶级数的展开,可以预见会是 一个基频的正弦项带一堆以基频为倍数的正弦项次的基本型式,这样的 级数代入式(1)的数学式后,从积化和差的公式可知高次的正弦或余弦 次和基频做积分的结果会为零 如将式(1) 进一步做推导,可得式(2)和式(3),可更清楚的看出影 响功率因数的原因除了主频电流和电压的相角关系外, 电流失真程度 的大小也是一个非常重要的因子。 PF P (Real Power) (I S 1 ×cosϕ)(cosθ) ≤1 (2) ( ) S Apparent Power I S 1 PF ( 2 cosϕ)(cosθ)(3) (1+THD% ) 所以从数学式计算结果来看,其实可以推出一些基本的物理含义。 (1)一个电流的失真程度愈高,其傅利叶级数展开的高频项次的常数项 便愈大,主频的常数项愈小,亦即分母项所得的积分值愈小,因分子 相同,故PF愈小。 (2)从功率的角度来看,这些与电压频率不同的电流馈入系统,所贡献 的实际功率为零,所以电流的失真程度愈高,所贡献的实际功率愈 小,从功率因数的方面来看,即所谓的功因愈小。 从推导结果来看要得到一个高功率因数的结果,