功率因数校正在开关电源中的应用[五篇]

第一篇：功率因数校正在开关电源中的应用

功率因数校正在开关电源中的应用

李银碧

（浙江邮电职业技术学院，浙江绍兴 312016）

摘 要：本文介绍了开关电源功率因数校正的基本原理，分析了功率因数校正的电路实现方法及相关要求。最后概括了有源功率因数校正技术的发展趋势。关键词：功率因数；有源功率因数校正；单级 ；两级

The Application Of Power Factor Correction In Switch Power

LI Yin-bi(Zhejiang Technical College of Post and Telecom,Shaoxing Zhejiang 312000,China)Abstract：The theme introduces the basic principles of power factor correction in switch power and the analysises active power factor correction(APFC).At last summarizes the tendency of active power factor correction．

Key words: power factor；active power factor correction；single-stage；two-stage

1、引 言

近年来，随着电子技术的发展，计算机等一些通信设备日益普及，被广泛应用于各种不同的领域，其中电网的谐波污染以及输入端功率因数低等问题显得日益突出。这些设备的内部需要一个将市电转化为直流的电源部分。在这个转换过程中，由于一些非线性元件的存在，导致输入的交流电压虽然是正弦的，但输入的交流电流却严重畸变，包含大量谐波。而谐波的存在，不但降低了输入电路的功率因数，而且对公共电力系统产生污染，造成电路故障。显然，使用有效的校正技术把谐波污染控制在较小的范围己是当务之急。

为了限制电流波形畸变和谐波，使电磁环境更加干净，国内外都制订了限制电流谐波的有关标准，如IEC555-2, IEEC519等。采用现代高频功率变换技术的功率因数校正(PFC)技术是解决谐波污染最有效的手段。为了减少谐波对交流电网的污染，这就必须对电源产品如UPS，高频开关整流电源等的输入电路进行功率因数校正，以最大限度减少谐波电流。功率因数校正的目的，就是采用一定的控制方法，使电源的输入电流跟踪输入电压，功率因数接近为1。

2、功率因数校正的基本原理 2．1功率因数的定义

由于在电源设备中，除了线性元件外，还大量使用各种非线性元件，如整流电路、逆变电路、日光灯、霓虹灯等。非线性元件的大量使用使得电路中产生各种高次谐波，高次谐波在基波上叠加，使得交流电压波形产生畸变。

功率因数PF（Power Factor）是指交流输入有功功率P与视在功率S的比值。对于高频开关整流器这种交流用电负载，由于它含有很多非线性元件，使得输入的正弦交流电流发生一定程度的畸变，也就是输入的交流电流中除了含有基波（一次谐波）外，还含有了二次、三次等高次谐波。我们认为只有基波才作有用功，再考虑感性（或容性）负载作的无用功影响，功率因数PF应定义为： PF＝P＝SULI1cosI1=cos= cos（1）

ULIRIR 式中：

：基波因数，即基波电流有效值I1与电网电流有效值IR之比。

IR：电网电流有效值 I1：基波电流有效值 UL：电网电压有效值

cosΦ：基波电流与基波电压的位移因数

在线性电路中，无谐波电流，电网电流有效值IR与基波电流有效值I1相等，基波因数=1，所以PF＝·cosΦ＝1·cosΦ＝cosΦ。

当线性电路且为纯电阻性负载时，PF＝·cosΦ＝1·1＝1。

如果供电系统正弦畸变过大，则会对供电设备、用电设备产生干扰，严重的时候甚至会造成用电设备如开关电源、UPS退出正常工作，也可能造成供电系统跳闸。畸变越小，功率因数则越高。综上所述，只要设法抑制输入电流中的谐波分量，通过电路方法，将输入电流波形校正为或无限接近正弦波，即可实现功率因数校正。2．2 无功率因数校正的开关电源存在的问题

在传统没有功率因数校正的开关整流器中，交流输入电压，经整流后，紧跟着大电容滤波，由于电容的充放电使输入电流呈脉冲波形。这种电流谐波分量很大，造成功率因数下降。低功率因数开关电源的使用，严重污染了电网，干扰了其它设备，增大了前级设备（如变压器、电缆传输、柴油发电机等）的功率容量，使供电系统容量至少要增大30%以上，使用户增加了投资。对于三相四线输入，当三相负载不平衡时，零线电流会很大。

从实际运行结果来看，低功率因数的开关电源所带来的危害是很严重的，这是因为输入电流有很高的峰值，含有大量的高次谐波，不但产生严重电磁干扰，还使供电变压器产生大的电磁应力，噪音增大，铁损严重，温升剧增。因此，在整流器设计中，认真设计好功率因数校正电路是至关重要的。

3、实现功率因数校正的方法

从不同的角度看，功率因数校正（PFC）技术有不同分类方法。从电网供电方式可分为单相PFC电路相三相PFC电路；从采用的校正机理看，可分为无源功率因数校正（PPFC）和有源功率因数校正（Active Power Factor Correction，简称APFC）两种。

无源功率因数校正技术（PPFC）出现最早，通常由大容量的电感、电容组成。它只是针对电源的整体负载特性表现，在开关整流器的交流输入端加入电感量很大的低频电感，以减小滤波电容充电电流尖峰。由于加入的电感体积大，增加了开关整流器的体积，此方法虽然简单，但效果不很理想，适于应用到重量体积不受限制的小型设备。因此目前用的较多的是有源功率因数校正。有源功率因数校正电路工作于高频开关状态，体积小、重量轻，比无源功率因数校正电路效率高。下面主要讨论有源功率因数校正方法。

有源功率因数校正目的在于减小输入电流谐波。为此在整流器和负载之间接入一个DC/DC开关变换器，应用电压、电流反馈技术，使输入端电流波形跟踪交流输入正弦电压波形，可以使输入电流接近正弦，从而大大提高功率因数PF，一般校正后PF可提高到0.99或更高。由于这个方案中应用了有源器件，故称为有源功率因数校正（APFC）。基本原理如图所示。

APFC的基本原理框图

从原理框图来看，APFC基本电路就是一种开关电源，但它与传统的开关电源的区别在于：DC/DC变换之前没有滤波电容，电压是全波整流器输出的半波正弦脉动电压，这个正弦半波脉动直流电压和整流器的输出电流与输出的负载电压都受到实时的检测与监控，其控制的结果是达到全波整流器输入功率因数近似为1。

而有源功率因数校正中，按输入电流的工作模式又可分为CCM模式和DCM模式；按拓扑结构可分为两级模式和单级模式。3．1按输入电流检测和控制方式分类

根据电感电流是否连续，APFC有两种工作模式：不连续导通模式DCM(Discontinuous Conduction Mode)和连续导通模式CCM(Continuous Conduction Mode)。一般认为，采用电流连续导通方式可利于实现输入EMI滤波电路小型化，并可使电流应力减小，实现高效率。3．1．1 DCM控制模式

DCM控制又称电压跟踪方法(Voltage Follower)，它是PFC中简单而实用的一种控制方式。这类变换器工作在不连续导电模式，开关管由输出电压误差信号控制，开关周期为常数。由于峰值电感电流基本上正比于输入电压，因此，输入电流波形跟随输入电压波形变化。控制原理如图所示：

ＤＣＭ控制原理图

该控制方法的优点是: 1)电路简单，不需要乘法器；2)功率管实现零电流开通(ZCS)且不承受二极管的反向恢复电流；3)输入电流自动跟踪电压且保持较小的电流畸变率。但是DCM方式存在着以下两个主要问题：１）由于电感电流不连续，造成电流纹波较大，对滤波电路要求高；２）开关管电流应力高，在同等容量情况下，DCM中开关器件通过的峰值电流是CCM的两倍，由此导致通态损耗增加，因此只适用于小功率的场合。3．1．2 CCM控制模式

在CCM模式控制中，根据是否选取瞬态电感电流作为反馈量和被控制量，又可分为间接电流控制(Indirect Current Control)和直接电流控制(Direct Current Control)两大类.直接电流控制的优点是电流瞬态特性好，自身具有过流保护能力，但需要检测瞬态电流，控制电路复杂。间接电流控制的优点是结构简单、开关机理清晰。

(1)直接电流控制

直接电流控制是目前应用最多的控制方式，它来源于DC/DC变换器的电流控制模式。将输入电压信号与输出电压误差信号相乘后作为电流控制器的电流给定信号，电流控制器控制输入电流按给定信号变化。根据控制器控制方式的不同，较典型的控制方式有峰值电流控制(PCMC)、平均电流控制(ACMC)和滞环电流控制(HCC)等。与其他控制方式相比，平均电流控制具有电流总谐波畸变(THD)和电磁干扰(EMI)小、对噪声不敏感、适用于大功率应用场合等优点，是目前PFC中应用最多的一种控制方式。下面就介绍利用平均电流控制技术的Boost PFC电路。基本原理如图所示：

平均电流控制方式PFC框图

它具有双环控制技术的优点。电流环使输入电流波形更接近正弦波，电压环使升压型DC／DC输出电压UO恒定。由s获得电感L中的电流取样，并由R1、R2分压以取得整流后的电压取样信号。K1正向输入端信号来自乘法器Z，作为K1的基准信号。K1反向输入端信号来自电感电流取样信号。若电感电流偏小时，K1输出增大，与锯齿波比较后的PWM信号占空比增加，使Q管导通时间变长而截止时间减少。

在Boost PFC电路中，Q管导通，L贮能，通过电感的电流IL增加，而Q管截止时，二极管D导通，电容C充电，流过电感电流IL减小。这样使电感电路中电流IL可跟踪基准信号波形。即IL的平均值I与整流后的电压波形接近同相。如图所示。

平均电流控制方式PFC电路的各种电流波形图

在Boost PFC电路中，设PWM信号周期为T，Q管截止时间为TOH，则UO＝T/TOH·UI（证明略）。当Boost PFC电路中UO上升时，取样与标准电压Uref比较后使K2输出下降，从而使UZ下降；使K1输出下降，即TOH增加，UO下降，以保持输出电压稳定。

(2)间接电流控制

电流的控制也可以通过控制整流桥输入端电压的方式间接实现，称为间接电流控制或电压控制。间接电流控制是一种基于工频稳态的控制方法，它通过控制整流器输入端电压，使其与电源电压保持一定的相位、幅值关系，从而控制交流输入电流呈正弦波形，且与电源电压保持同相位，使装置运行在单位功率因数状态。

间接电流控制原理

通过对CCM和DCM两种工作模式的分析和比较可以看出：CCM的优点是输入和输出电流波动小，故滤波容易；开关的有效电流小，器件导通损耗小；适用于大功率场合。对于小于几百瓦的功率级，选择DCM比较合适，DCM的最大好处是二极管不存在反向恢复，因此不需要缓冲电路。

3．2按拓扑结构分类

有源功率因数校正技术从结构上分为两级PFC和单级PFC。其中两级PFC是目前普遍使用的比较成熟的PFC技术。3．2．1 两级功率因数校正

目前研究的两级PFC电路是由两级变换器组成：第一级是PFC变换器，目的在于提高输入的功率因数并抑制输入电流的高次谐波；第二级为DC／DC变换器，目的在于调节输出以便与负载匹配。具体实现方式很多，在通信用大功率开关整流器中主要采用的方法是在主电路输入整流和功率转换电路之间串入一个校正的环节（Boost PFC电路）。典型的两级变换器的结构如图所示。

典型的两级PFC变换器电路图

由于两级分别有自己的控制环节，所以电路有良好的性能。它具有功率因数高、输入电流谐波含量低，以及可对DC／DC变换器进行优化设计等优点。但两级PFC电路也有两个主要缺点：一是由于有两套装置，增加了器件的数目和成本；二是能量经两次转换，电源的效率也会有所降低。因此，两级PFC电路一般应用于功率较大的电路中。对于小功率的场合，由于成本及体积的限制，一般采用单级功率因数校正电路。3．2．2单级功率因数校正

单级PFC技术的基本思想是将有源PFC变换器和DC/DC变换器合二为一。两个变换器共用一套开关管和控制电路，因此单级PFC技术降低了成本，提高了效率，减小了电路的重量和体积。

典型的单级PFC变换器电路图

单级PFC电路具有许多优点：PFC级和DC／DC级共用一个开关管，共用一套控制电路，这就使得电路设计大为简捷，降低了硬件成本；变换中能提供任何选定的电压和电流比；由于功率实现的是一次性变换，所以能获得较高的效率和可靠性。单级PFC电路正因为具有这些优良的性能而越来越得到广泛的研究和应用。

但是与传统的两级式DC/DC变换器相比，单级PFC变换器要承受更高的电压应力，有更多的功率损耗。这个问题在开关频率较高时显得尤为突出。而且由于开关工作频率不断提高所带来的电磁干扰问题也日益严重，显著影响了变换器工作的可靠性和频率的提高。单级方案中还存在储能电容电压过高的情况，而且储能电容电压随着输入电压及负载的变化而升高，这将会导致电路的稳态特性受到一定的影响，同时某些元器件的体积成本会有所提高，这都是期待解决的问题。通过比较可知，在输出功率相同的情况下，单级功率因数校正电路在功率因数校正能力和电源的转换效率等方面，相对于两级功率因数校正电路而言，相对要差一些。近些年专家学者先后提出了许多零电压及零电流软开关技术，特别是将软开关技术与单级隔离型PFC技术结合在一起的方法，另外怎样降低储能电容上的电压也是现在单级功率因数校正研究的热点。

4、功率因数校正技术的发展方向

功率因数校正技术从早期的无源电路发展到现在的有源电路，新的拓扑和技术不断涌现。本文主要讨论了有源功率因数校正方法。

通常从以下几个方面来判断一个功率因数校正电路的优劣：功率因数的高低；输入电流波形畸变的大小；效率和功率密度的高低；开关管应力的大小。一般要求功率因数要高，具有良好的动态性能和稳定的输出电压，同时还要求开关损耗要小，电压应力低，开关频率高，体积小，成本低等。而单一类型的PFC变换器要同时满足这些要求是很困难的。这就要求采用复合类型的，在增加较少成本的条件下，尽可能满足各项要求。也可采用最优化设计方法，使PFC变换器的某个技术或经济指标为最优或接近最优的情况下，获得该电路的一组最优参数，并满足其他各项性能指标要求。

近年来，功率因数校正技术研究的热点问题集中在以下几个方面: 基于己有的原理新拓扑结构的提出；把软开关等技术应用于PFC电路中；单级PFC稳压开关变换器的稳定性等的研究。因此，高性能、低成本的功率因数校正技术是研究人员追求的最终目标。

参考文献

【1】 严百平，不连续导电模式高功率因数开关电源【M】．北京：科学出版社，2000 【2】 陈卫昀．一种新型单级功率因数校正和变换电路【J】.电工技术杂志，1998，6． 【3】 IEEE Std．519—1992：IEEE recommended practices and requirements for harmonic control in electric power system．1993．

【4】周志敏等． 开关电源功率因数校正电路设计与应用【M】．北京：人民邮电处版社，2004．

第二篇：电子负载在开关电源测试中的应用

电子负载在开关电源测试中的应用

随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源--开关电源。开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器、电子冰箱、液晶显示器、LED灯具、通讯设备、视听产品、安防、电脑机箱、数码产品和仪器类等领域。

开关电源是一种电压转换电路，主要的工作内容是升压和降压，广泛应用于现代电子产品。因为开关三极管总是工作在 “开” 和“关” 的状态，所以叫开关电源。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。

现代开关电源有两种：一种是直流开关电源；另一种是交流开关电源。本文里所提到的开关电源则只是指直流开关电源，其功能是将电能质量较差的原生态电源（粗电），如市电电源或蓄电池电源，转换成满足设备要求的质量较高的直流电压（精电）。直流开关电源的核心是DC/DC转换器。因此直流开关电源的分类是依赖DC/DC转换器分类的。也就是说，直流开关电源的分类与DC/DC转换器的分类是基本相同的，DC/DC转换器的分类基本上就是直流开关电源的分类。

深圳市费思泰克科技有限公司研发制造的可编程直流电子负载系列产品--FT6800A系列大功率可编程直流电子负载、FT6600A系列多通道可编程直流电子负载和FT6300A系列单通道可编程直流电子负载在应用领域得到了广泛的应用。

开关电源在研发、制造以及品质检查过程中需要到一种专业的测试设备--直流电子负载。费思可编程直流电子负载在对开关电源做测试时，可以提供恒流、恒压、恒阻和恒功率四种测试模式，并且这四个模式均可做瞬态测试，同时在测试过程中开过电源出现的过电流、过电压、过功率、电压反向、过热、吃载电压和失控等异常现象，费思电子负载可根据异常类型采取相应的保护措施，以有效得保护开关电源和负载本身。产品本身具有强大的自动测试功能，无需人为干涉，真正实现了产品的测试自动化。

此外，费思科技为负载本身提供了一套具有虚拟仪器功能的功能性软件，对于在测试过程中得到的数据可以打印报告、生成图像、导出报表及保存数据，软件以图像和数据共同显示的方式，更直观和便于对比。可以说，费思可编程直流电子负载是开关电源制造企业在产品研发、制造以及品质检查过程中更精确、更周到及更方便的测试解决方案。在开关电源测试中应用到直流电子负载的项目主要有：功率因素和效率测试、能效测试、输入电流测试、浪涌电流测试、电压调整率测试、负载调整率测试、输入缓慢变动测试、纹波及噪音测试、上升时间测试、下降时间测试、开机延迟时间测试、关机维持时间测试、输出过冲幅度测试、输出暂态响应测试、过电流保护测试、短路保护测试、过电压保护测试、重轻载变化测试、输入电压变动测试、电源开关循环测试、元器件温升测试、高温操作测试、高温高湿储存测试、低温操作测试、低温储存测试、低温启动测试、温度循环测试、冷热冲击测试、绝缘耐压测试、跌落测试、绝缘阻抗测试和额定电压输出电流测试等等数十项。

随着科技技术的发展，模块化是开关电源发展的总体趋势，可以采用模块化电源组成分布式电源系统，可以设计成N+1冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展，这就使得开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了开关电源的发展前进。另外，开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。

相信电力电子技术的不断创新，必然会使开关电源产业有着更为广阔的发展前景。而要加快我国开关电源产业的发展速度，就必须走技术创新之路，走出有中国特色的产学研联合发展之路，为我国国民经济的高速发展做出贡献。（责编：佩）

第三篇：磁珠原理及其在开关电源中的应用

磁珠原理及其在开关电源中的应用

导 读：由于电磁兼容的迫切要求，电磁干扰(EMI)抑制元件获得了广泛的应用。然而实际应用中的电磁兼容问题十分复杂，单单依靠理论知识是完全不够的，它更依赖于广大电子工程师的实际经验。为了更好地解决电子产品的电磁兼容性这一问题，还要考虑接地、电路与PCB板设计、电缆设计、屏蔽设计等问题。本文通过介绍磁珠的基本原理和特性来说明它在开关电源电磁兼容设计中的重要性与应用，以期为设计者在设计新产品时提供必要的参考。

磁珠及其工作原理

磁珠的主要原料为铁氧体，铁氧体是一种立 方晶格结构的亚铁磁性材料，铁氧体材料为铁镁合金或铁镍合金，它的制造工艺和机械性能与陶瓷相似，颜色为灰黑色。电磁干扰滤波器中经常使用的一类磁芯就是 铁氧体材料，许多厂商都提供专门用于电磁干扰抑制的铁氧体材料。这种材料的特点是高频损耗非常大，具有很高的导磁率，它可以使电感的线圈绕组之间在高频高 阻的情况下产生的电容最小。新晨阳铁氧体材料通常应用于高频情况，因为在低频时它们主要呈现电感特性，使得损耗很小。在高频情况下，它们主要呈现电抗特性并且随 频率改变。实际应用中，铁氧体材料是作为射频电路的高 频衰减器使用的。实际上，铁氧体可以较好的等效于电阻以及电感的并联，低频下电阻被电感短路，高频下电感阻抗变得相当高，以至于电流全部通过电阻。铁氧体 是一个消耗装置，高频能量在上面转化为热能，这是由它的电阻特性决定的。

对于抑制电磁干扰用的铁氧体，最重要的性能参数为磁导率和饱和磁通密度。磁导率可以表示为复数，实数部分构成电感，虚数部分代表损耗，随着频率的增加而增 加。因此它的等效电路为由电感L和电阻R组成的串联电路，电感L和电阻R都是频率的函数。当导线穿过这种铁氧体磁芯时，所构成的电感阻抗在形式上是随着频 率的升高而增加，但是在不同频率时其机理是完全不同的。在高频段，阻抗主要由电阻成分构成，随着频率的升高，新晨阳电容电感磁芯的磁导率降低，导致电感的电感量减小，感抗成分减小，但是，这时磁芯的损耗增加，电阻成分增加，导致总的阻抗增加，当高频信号通过铁氧体时，电磁干扰被吸收并转换成热能的形式消耗掉。在低频段，阻抗主要由电感的感抗构成，低频时R很小，磁芯的磁导率 较高，因此电感量较大，电感L起主要作用，电磁干扰被反射而受到抑制，并且这时磁芯的损耗较小，整个器件是一个低损耗、高品质因素Q特性的电感，这种电感 容易造成谐振，因此在低频段时可能会出现使用铁氧体磁珠后干扰增强的现象。

磁珠种类很多，制造商会提供技术指标说明，特别是磁珠的阻抗与频率关系的曲线。有的磁珠上有多个孔洞，用导线穿过可增加元件阻抗(穿过磁珠次数的平方)，不过在高频时所增加的抑制噪声能力可能不如预期的多，可以采用多串联几个磁珠的办法。

值得注意的是，高频噪声的能量是通过铁氧体磁矩与晶格的耦合而转变为热能散发出去的，并非将噪声导入地或者阻挡回去，如旁路电容那样。因而，在电路中安装铁氧体磁珠时，不需要为它设置接地点。这是铁氧体磁珠的突出优点。

关键字：磁珠 电感

第四篇：开关电源在专业功放中的应用分析

开关电源在专业功放中的应用分析 广州邮科电源，直流电源、通信电源生产厂家，服务热线：020-85532781 官网：众所周知：现代开关电源技术的发展正以空前的规模改造着传统的旧式电气设备，广泛进入了国民经济和人类生活的各个领域。它具有功率密度大、体积小、重量轻、高效率、高可靠性和低噪声，低污染的优良品质，极大地节约了电能、降低了材耗与成本，明显地减少了电磁干扰。正如现时在我们日常生活中流行的“变频空调”、“节源40%以上的冰箱”、及工业常见的“弧焊、电解、加热、充电、超声、电机调速”等等高技术附加值产品，正就是使用了高频开关电源技术的结果！

我们现在来回顾一下：我们现代的高频大功率开关稳压电源技术，其实是一项知识面宽、跨度大、难度大、又极具风险的复杂技术，它能把电网提供的强电和粗电，变换成各种电气设备和仪器所需要的高稳定度精电和细电，即提供不同规格的电压和电流值，它是现代电子设备中重要的中央供电系统。有统计称：在电气设备中的常见故障有近一半出在电源问题上，我想这一点都不为过。因为现代高频开关电源所涉及的内容横跨了多个学科，大概如微电子精细加工的智能化控制芯片系统，和日益更新的高性能功率电力器件及高频变压器磁性材料，非晶和微晶等等领域，正是如此，也就足以证明了这项技术的高科技含量的价值，是一般企业可望而不可及的。由于时间关系，在此也就不多作展开阐述了。我现在所讲的专业攻放开关电源：就是在现代高频开关稳压电源的基础上解除了其大环路反馈，消除了其因稳压需要而调整开关脉宽而造成开关转换速率突降而形成对功放大动态瞬间输出供电电力不足矛盾的一种新型电源。它就是一种全新开发的无反馈、无稳压、有良好浮动负载驱动能力的专利技术FPA品牌专业功放专用开关电源，也就是我今天所讲的主题。

FPA专业功放专用配套“高频开关电源”除具有以上优点外，更具特有的软接通软关断及交流功率因素校正（PFC）电路单元，绝对杜绝了开关机对电网的冲击和污染，使交流电源的利用率提高40%以上。对过欠压、过载、短路等完善的保护电路措施也是此电源的又一亮点。此外，还采用了智能压限电路，保证该机在不同负载（1Ω-16Ω）不同功率下均彻底消灭了削波失真。还有，该机的负载范围宽，在2Ω负载下仍能长期稳定地工作，因而适应能力更广。它也具有桥接功能，先进的温控系统；更值得一提的是，它还有对整机输入信号的灵敏度有自动适应能力（0dB～+20dB），对各种音源的适应能力更强大。此电源的最大输出功率在4000-5000W间，目前电源产品输出最高直流电压为：±75V、±150V、单边电流30A，完全满足二阶H类专业功放的供电，此电源对应功放输出有：8Ω/85V即950W连续有效功率，4Ω/70V即1200W连续有效功率，此功放对应公司型号为FPA品牌CE1200，重量仅是传统的1/

4、2U机箱。由于应用了开关电源的专业功放体现众多优点，它代表专业功放的发展方向，是当前专业功放又一佳作。

第五篇：Matlab在变流装置功率因数教学中应用ing

Matlab在整流装置功率因数教学中的应用

臧义，苏宝平

(河南工业大学 电气工程学院，河南省 郑州450007)摘要：在电力电子技术课程教学中，整流装置功率因数的分析与讲解是课程难点之。利用Matlab电力系统工具箱搭建各种仿真模型，可以方便的观察电路变化对输入输出波形及其谐波以及无功功率特性的影响，从而得出提高电路功率因数的各种方法。结合Matlab仿真进行教学，有利于增强学生对功率因数概念的理解。

关键词：电力电子 变流装置 功率因数 Matlab

Application of Matlab in Teaching of the power factor for rectifier set

ZANG Yi, SU Bao-ping(College of Electrical Engineering, Henan University of Technology, Zhengzhou 450007, Henan Province, China)Abstract: The method of designing the transfer function of a controller with the Matlab SISO Design Tool is introduced in this paper.According to the requirements of the system, the controller of a DC Motor is designed with the SISO Design Tool based on the mathematical model.The transfer function of the controller was determined by real time monitoring the step response curve of the system model, the validity of the design is then ensured.The studies can be used in experimental teaching of performance analysis for DC motor control system and frequency-domain design for control system.Key words: Power electrics;rectifier set;power factor;Matlab

功率因数是衡量电气设备用电效率高低的一个系数，是电力系统的一个重要技术数据。功率因数低，说明电路消耗的无功功率大，降低了电力设备（如发电机、变压器等）的利用率，增加了输电线路上的供电损失。功率因数与电路的负载性质有着直接的关系，负载类型对功率因数的影响已为人们所熟知，而电力电子装置等非线性设备产生的谐波也对功率因数有着直接的影响。若负载中有电感、电容及电阻以外的元件（非线性负载），会使得输入电流的波形扭曲，也会使视在功率大于有功功率。本文主要以多脉波整流电路为例，对电力电子装置的功率因数进行分析，进而给出提高整流电路功率因数的常用方法。

电压u与电流i的波形如图2所示，输入电压u为正弦波，输入电流i为正负对称的矩形波，且相位滞后电压φ角度；i1是输入电流的基波分量。

VT1VT2iuidudLRTabVT3VT4

图 1 单相桥式整流电路

u,iI φui1iωt1.变流装置功率因数分析

变流装置的功率因数定义为交流侧有功功率与视在功率的比值。以单相桥式全控整流电路为例，当整流电路输出端串接平波电抗器的电感量足够大时，其负载电流Id的波形基本上是水平的[教材]，电路如图1所示。在理想情况下，整流电路交流侧输入

图 2 感性负载时输入波形

电路提供给整流装置的总功率即视在功率为S=U*I，U、I分别为交流电压、电流的有效值。

由于u是正弦波，而i是正负对称的矩形波，由电工基础可知只有同频率的电压与电流才能够形成有功功率，非正弦电压与电流构成的有功功率为直流分量功率与各次谐波有功功率之和。对于上述幅值为I的矩形波电流在上升沿处进行傅里叶级数展开，可得：

i=4Iπ(sinwt+13sin3wt+15sin5wt+L+1

ksinkwt+L)(k为奇数)由于电压波形为正弦波，因此电流仅有基波分量能够与其形成有功功率。电网输入的有功功率P为：P=U*I1cosφ

其中I1—交流电流基波分量的有效值；cosφ—基波电流i1与u相位差的余弦，称为位移因数；从图中可以看出，对于单相整流电路，φ即是电路的控制角α。

所以该整流装置的总功率因数λ可表示为：

λ=P/S= U*I1cosφ/ U*I= I1/I*cosφ=ν*cosα

式中ν=I1/I是电流基波有效值与总电流有效值之比，表示电流波形的畸变程度，称为畸变系数。

因此，整流装置的功率因数等于畸变系数与位移因数的乘积。当电压电流波形均为正弦时，畸变系数值为1，功率因数仅与位移因数有关；因此，通常用cosφ表示普通正弦电路的功率因数。

对于上述整流电路，矩形波交流电流i的基波分量为i1=4*I*sinωt/π，基波分量的有效值为I1=4*I/(sqrt(2)*π)，畸变系数ν= I1/I=0.9。因此，电路的总功率因数为λ=0.9 cosα。当控制角α=0°时，功率因数最大为0.9。这是因为此时电流基波与电压同相位，但是由于电流为矩形波，存在的谐波电流产生了无功功率，使整流电路的功率因数降低。

2.提高电路功率因数的方法

从上述分析可以看出，晶闸管可控整流

装置功率因数低的原因有：

一、电压与基波电流之间的位移因数，该系数是由于可控整流装置通过控制角α调压引起的。

二、电流波形畸变程度较大，电流波形中的高次谐波均为无功分量；所以减小谐波含量与提高功率因数有直接关系。可以采用以下方式，提高装置的功率因数。

1)小控制角运行，采用整流变压器二次侧抽头或者星三角形变换等方法降低加在整流装置上的二次电压，使装置尽量运行在小控制角状态，减小电压与电流间的位移。2)增加整流相数，整流相数越多，电流中高次谐波的最低次数越高，且幅值也越小，使畸变系数更接近1。如三相桥式整流电路的畸变系数为0.955。

3)设置补偿电容，由于电容电流超前电压，当电容与负载并联式，可使从而使位移因数接近1。但由于变流电路大多会产生高次谐波，在某一频率附近电容可能会与电路中的电感产生谐振而被击穿。因此，对于高次谐波电流引起的电路功率因数变低，如常用的变频器，设置补偿电容并不合适。4)用不可控整流配合直流斩波调压来代替可控整流，这样可以使位移因数为1，而且直流回路的高频滤波比较容易。

5)可控整流中，采用全控型可关断器件实现强迫换相。例如对于控制角为α的电路，在π-α时关断导通器件，从而使基波电流与电源电压同相位，位移因数为1。该方法也成为对称角控制，但每半个周期内只有一个脉冲，最低次谐波为三次，仍给滤波带来了困难。脉宽调制（PWM）整流技术利用全控型开关器件，使电路输入电流脉宽按照正弦规律变化，从而减少输入电流谐波成分。这种整流方式也称为斩控整流，不但具有对称角控制的优点，而且可以使交流电网输入电流十分接近正弦，谐波成分少，装置的功率因数可接近1。

3.仿真分析

从上述方法2中的分析可知，增加整流相数有利于减小波形的畸变，进而提高功率因数。实际使用中，可以将基本整流电路进行多重连接来实现，例如将变压器两组二次绕组分别接成星形和三角形，且一次绕组和两个二次绕组的匝数比为1:1:1.732时，可以在二次侧得到幅值相等、相位相差30°的两组三相交流电。分别进行整流后再串联，即可得到每个交流电源周期脉动12次的12脉波整流电路。

利用Matlab/Simulink搭建了上述整流后串联电路的仿真模型，如图3所示。电源

Scope相电压峰值100V，频率50Hz，三相三绕组变压器接成YYD形式，电压比为1:1:1。负载电感100mH，电阻10Ω。其中由Current Measurement读取变压器A相电流，经示波器Scope显示并保存数据后，利用Powergui模块对其进行快速傅里叶被变换FFT分析。【洪乃刚p113】

iAi+-ABC+v-+v-+v-Current Measurementa2b2c2a3b3c3gABC+-Y Thyristor ConverterLoadTransformer30alpha_degPYABCPDblockgABC+uaubVaVbVc0-ucEnable Synchronized12-Pulse GeneratorD Thyristor ConverterContinuouspowergui 图 2 12脉波整流仿真电路当接大电感负载时，该电路的输入电流波形如图b所示。其中图b的电流i'ab2为变压器二次侧第二组绕组电流iab2折算到一次侧A相绕组中的电流，图b的输入总电流iA为图a中ia1和i'ab2的和。可以看出，电网输入电流为六个阶梯的波形，更接近正弦。

其中二次侧电流ia的傅立叶级数表达式为：

另一组二次侧电流iab超前ia相位30°，由于绕组是星形/三角形连接，所以折合到一次侧时，可以表示为：

i'ab=2311Id[sinwt+sin5wt+sin7wtp5711+sin11wt+sin13wt+L]1113 网侧输入总电流iA为ia1和i'ab2的和：

ia=2311Id[sinwt-sin5wt-sin7wtp5711+sin11wt+sin13wt-L]1113式中，2f是电源电压角频率，IdiA=i'a+i'ab=431Id[sinwt+sin11wtp11111+sin13wt+sin23wt+sin25wtL]***Idsinwt+Idåsinnwtppn=12k 1nk=1,2,3L

=是直流电流。

由于变比为1:1，所以折合到一次侧后的表达式与上式相同。

可以看出，二次侧中含有的5、7次两个主要电流谐波被消除，输入电流中仅含有12k±1次谐波，且随着谐波次数增加，谐波幅值逐渐降低，因此基波电流畸变程度降低。

可得电流基波有效值为：I4312Id，畸变系数ν= I1/IA=0.9886。

利用powergui中的FFT Analysis模块可以对各个波形进行谐波分析，从一次侧电流频谱可以看出，波形中不含偶次谐波、6的整数倍谐波，主要谐波是11、13、23、25…，基波电流有效值约为0.9886，均与理论分析结果相符。

随着整流脉波数的增加，整流装置的谐波性能及功率因数均会提升。目前在单元串联型高压变频器中，普遍利用移相变压器来降低输入电流谐波，提高系统的功率因数。

4.结论

本文对非线性电路功率因数进行了分析，并介绍了提高变流电路功率因数的方法。以十二脉波整流电路为例，通过傅里叶级数对输入电流的谐波成分进行了详细的理论分析；利用Matlab/Simulink搭建了仿真模型，对系统谐波及基波成分进行了测量，仿真结果与理论分析一致。对整流装置功率因数的研究，可以为进一步学习谐波抑制和无功补偿奠定基础。对于电力电子电路的研究和分析，通过仿真可以省去复杂的计算，是一种高效便捷的方法。

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