第一篇：功率因數校正在開關電源中的應用

功率因數校正在開關電源中的應用

李銀碧

（浙江郵電職業技術學院，浙江紹興 312016）

摘 要：本文介紹了開關電源功率因數校正的基本原理，分析了功率因數校正的電路實現方法及相關要求。最后概括了有源功率因數校正技術的發展趨勢。關鍵詞：功率因數；有源功率因數校正；單級 ；兩級

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

近年來，隨著電子技術的發展，計算機等一些通信設備日益普及，被廣泛應用于各種不同的領域，其中電網的諧波污染以及輸入端功率因數低等問題顯得日益突出。這些設備的內部需要一個將市電轉化為直流的電源部分。在這個轉換過程中，由于一些非線性元件的存在，導致輸入的交流電壓雖然是正弦的，但輸入的交流電流卻嚴重畸變，包含大量諧波。而諧波的存在，不但降低了輸入電路的功率因數，而且對公共電力系統產生污染，造成電路故障。顯然，使用有效的校正技術把諧波污染控制在較小的范圍己是當務之急。

為了限制電流波形畸變和諧波，使電磁環境更加干凈，國內外都制訂了限制電流諧波的有關標準，如IEC555-2, IEEC519等。采用現代高頻功率變換技術的功率因數校正(PFC)技術是解決諧波污染最有效的手段。為了減少諧波對交流電網的污染，這就必須對電源產品如UPS，高頻開關整流電源等的輸入電路進行功率因數校正，以最大限度減少諧波電流。功率因數校正的目的，就是采用一定的控制方法，使電源的輸入電流跟蹤輸入電壓，功率因數接近為1。

2、功率因數校正的基本原理 2．1功率因數的定義

由于在電源設備中，除了線性元件外，還大量使用各種非線性元件，如整流電路、逆變電路、日光燈、霓虹燈等。非線性元件的大量使用使得電路中產生各種高次諧波，高次諧波在基波上疊加，使得交流電壓波形產生畸變。

功率因數PF（Power Factor）是指交流輸入有功功率P與視在功率S的比值。對于高頻開關整流器這種交流用電負載，由于它含有很多非線性元件，使得輸入的正弦交流電流發生一定程度的畸變，也就是輸入的交流電流中除了含有基波（一次諧波）外，還含有了二次、三次等高次諧波。我們認為只有基波才作有用功，再考慮感性（或容性）負載作的無用功影響，功率因數PF應定義為： PF＝P＝SULI1cos?I1=cos?= ?cos?（1）

ULIRIR 式中：

?：基波因數，即基波電流有效值I1與電網電流有效值IR之比。

IR：電網電流有效值 I1：基波電流有效值 UL：電網電壓有效值

cosΦ：基波電流與基波電壓的位移因數

在線性電路中，無諧波電流，電網電流有效值IR與基波電流有效值I1相等，基波因數?=1，所以PF＝?·cosΦ＝1·cosΦ＝cosΦ。

當線性電路且為純電阻性負載時，PF＝?·cosΦ＝1·1＝1。

如果供電系統正弦畸變過大，則會對供電設備、用電設備產生干擾，嚴重的時候甚至會造成用電設備如開關電源、UPS退出正常工作，也可能造成供電系統跳閘。畸變越小，功率因數則越高。綜上所述，只要設法抑制輸入電流中的諧波分量，通過電路方法，將輸入電流波形校正為或無限接近正弦波，即可實現功率因數校正。2．2 無功率因數校正的開關電源存在的問題

在傳統沒有功率因數校正的開關整流器中，交流輸入電壓，經整流后，緊跟著大電容濾波，由于電容的充放電使輸入電流呈脈沖波形。這種電流諧波分量很大，造成功率因數下降。低功率因數開關電源的使用，嚴重污染了電網，干擾了其它設備，增大了前級設備（如變壓器、電纜傳輸、柴油發電機等）的功率容量，使供電系統容量至少要增大30%以上，使用戶增加了投資。對于三相四線輸入，當三相負載不平衡時，零線電流會很大。

從實際運行結果來看，低功率因數的開關電源所帶來的危害是很嚴重的，這是因為輸入電流有很高的峰值，含有大量的高次諧波，不但產生嚴重電磁干擾，還使供電變壓器產生大的電磁應力，噪音增大，鐵損嚴重，溫升劇增。因此，在整流器設計中，認真設計好功率因數校正電路是至關重要的。

3、實現功率因數校正的方法

從不同的角度看，功率因數校正（PFC）技術有不同分類方法。從電網供電方式可分為單相PFC電路相三相PFC電路；從采用的校正機理看，可分為無源功率因數校正（PPFC）和有源功率因數校正（Active Power Factor Correction，簡稱APFC）兩種。

無源功率因數校正技術（PPFC）出現最早，通常由大容量的電感、電容組成。它只是針對電源的整體負載特性表現，在開關整流器的交流輸入端加入電感量很大的低頻電感，以減小濾波電容充電電流尖峰。由于加入的電感體積大，增加了開關整流器的體積，此方法雖然簡單，但效果不很理想，適于應用到重量體積不受限制的小型設備。因此目前用的較多的是有源功率因數校正。有源功率因數校正電路工作于高頻開關狀態，體積小、重量輕，比無源功率因數校正電路效率高。下面主要討論有源功率因數校正方法。

有源功率因數校正目的在于減小輸入電流諧波。為此在整流器和負載之間接入一個DC/DC開關變換器，應用電壓、電流反饋技術，使輸入端電流波形跟蹤交流輸入正弦電壓波形，可以使輸入電流接近正弦，從而大大提高功率因數PF，一般校正后PF可提高到0.99或更高。由于這個方案中應用了有源器件，故稱為有源功率因數校正（APFC）。基本原理如圖所示。

APFC的基本原理框圖

從原理框圖來看，APFC基本電路就是一種開關電源，但它與傳統的開關電源的區別在于：DC/DC變換之前沒有濾波電容，電壓是全波整流器輸出的半波正弦脈動電壓，這個正弦半波脈動直流電壓和整流器的輸出電流與輸出的負載電壓都受到實時的檢測與監控，其控制的結果是達到全波整流器輸入功率因數近似為1。

而有源功率因數校正中，按輸入電流的工作模式又可分為CCM模式和DCM模式；按拓撲結構可分為兩級模式和單級模式。3．1按輸入電流檢測和控制方式分類

根據電感電流是否連續，APFC有兩種工作模式：不連續導通模式DCM(Discontinuous Conduction Mode)和連續導通模式CCM(Continuous Conduction Mode)。一般認為，采用電流連續導通方式可利于實現輸入EMI濾波電路小型化，并可使電流應力減小，實現高效率。3．1．1 DCM控制模式

DCM控制又稱電壓跟蹤方法(Voltage Follower)，它是PFC中簡單而實用的一種控制方式。這類變換器工作在不連續導電模式，開關管由輸出電壓誤差信號控制，開關周期為常數。由于峰值電感電流基本上正比于輸入電壓，因此，輸入電流波形跟隨輸入電壓波形變化。控制原理如圖所示：

ＤＣＭ控制原理圖

該控制方法的優點是: 1)電路簡單，不需要乘法器；2)功率管實現零電流開通(ZCS)且不承受二極管的反向恢復電流；3)輸入電流自動跟蹤電壓且保持較小的電流畸變率。但是DCM方式存在著以下兩個主要問題：１）由于電感電流不連續，造成電流紋波較大，對濾波電路要求高；２）開關管電流應力高，在同等容量情況下，DCM中開關器件通過的峰值電流是CCM的兩倍，由此導致通態損耗增加，因此只適用于小功率的場合。3．1．2 CCM控制模式

在CCM模式控制中，根據是否選取瞬態電感電流作為反饋量和被控制量，又可分為間接電流控制(Indirect Current Control)和直接電流控制(Direct Current Control)兩大類.直接電流控制的優點是電流瞬態特性好，自身具有過流保護能力，但需要檢測瞬態電流，控制電路復雜。間接電流控制的優點是結構簡單、開關機理清晰。

(1)直接電流控制

直接電流控制是目前應用最多的控制方式，它來源于DC/DC變換器的電流控制模式。將輸入電壓信號與輸出電壓誤差信號相乘后作為電流控制器的電流給定信號，電流控制器控制輸入電流按給定信號變化。根據控制器控制方式的不同，較典型的控制方式有峰值電流控制(PCMC)、平均電流控制(ACMC)和滯環電流控制(HCC)等。與其他控制方式相比，平均電流控制具有電流總諧波畸變(THD)和電磁干擾(EMI)小、對噪聲不敏感、適用于大功率應用場合等優點，是目前PFC中應用最多的一種控制方式。下面就介紹利用平均電流控制技術的Boost PFC電路。基本原理如圖所示：

平均電流控制方式PFC框圖

它具有雙環控制技術的優點。電流環使輸入電流波形更接近正弦波，電壓環使升壓型DC／DC輸出電壓UO恒定。由s獲得電感L中的電流取樣，并由R1、R2分壓以取得整流后的電壓取樣信號。K1正向輸入端信號來自乘法器Z，作為K1的基準信號。K1反向輸入端信號來自電感電流取樣信號。若電感電流偏小時，K1輸出增大，與鋸齒波比較后的PWM信號占空比增加，使Q管導通時間變長而截止時間減少。

在Boost PFC電路中，Q管導通，L貯能，通過電感的電流IL增加，而Q管截止時，二極管D導通，電容C充電，流過電感電流IL減小。這樣使電感電路中電流IL可跟蹤基準信號波形。即IL的平均值I與整流后的電壓波形接近同相。如圖所示。

平均電流控制方式PFC電路的各種電流波形圖

在Boost PFC電路中，設PWM信號周期為T，Q管截止時間為TOH，則UO＝T/TOH·UI（證明略）。當Boost PFC電路中UO上升時，取樣與標準電壓Uref比較后使K2輸出下降，從而使UZ下降；使K1輸出下降，即TOH增加，UO下降，以保持輸出電壓穩定。

(2)間接電流控制

電流的控制也可以通過控制整流橋輸入端電壓的方式間接實現，稱為間接電流控制或電壓控制。間接電流控制是一種基于工頻穩態的控制方法，它通過控制整流器輸入端電壓，使其與電源電壓保持一定的相位、幅值關系，從而控制交流輸入電流呈正弦波形，且與電源電壓保持同相位，使裝置運行在單位功率因數狀態。

間接電流控制原理

通過對CCM和DCM兩種工作模式的分析和比較可以看出：CCM的優點是輸入和輸出電流波動小，故濾波容易；開關的有效電流小，器件導通損耗小；適用于大功率場合。對于小于幾百瓦的功率級，選擇DCM比較合適，DCM的最大好處是二極管不存在反向恢復，因此不需要緩沖電路。

3．2按拓撲結構分類

有源功率因數校正技術從結構上分為兩級PFC和單級PFC。其中兩級PFC是目前普遍使用的比較成熟的PFC技術。3．2．1 兩級功率因數校正

目前研究的兩級PFC電路是由兩級變換器組成：第一級是PFC變換器，目的在于提高輸入的功率因數并抑制輸入電流的高次諧波；第二級為DC／DC變換器，目的在于調節輸出以便與負載匹配。具體實現方式很多，在通信用大功率開關整流器中主要采用的方法是在主電路輸入整流和功率轉換電路之間串入一個校正的環節（Boost PFC電路）。典型的兩級變換器的結構如圖所示。

典型的兩級PFC變換器電路圖

由于兩級分別有自己的控制環節，所以電路有良好的性能。它具有功率因數高、輸入電流諧波含量低，以及可對DC／DC變換器進行優化設計等優點。但兩級PFC電路也有兩個主要缺點：一是由于有兩套裝置，增加了器件的數目和成本；二是能量經兩次轉換，電源的效率也會有所降低。因此，兩級PFC電路一般應用于功率較大的電路中。對于小功率的場合，由于成本及體積的限制，一般采用單級功率因數校正電路。3．2．2單級功率因數校正

單級PFC技術的基本思想是將有源PFC變換器和DC/DC變換器合二為一。兩個變換器共用一套開關管和控制電路，因此單級PFC技術降低了成本，提高了效率，減小了電路的重量和體積。

典型的單級PFC變換器電路圖

單級PFC電路具有許多優點：PFC級和DC／DC級共用一個開關管，共用一套控制電路，這就使得電路設計大為簡捷，降低了硬件成本；變換中能提供任何選定的電壓和電流比；由于功率實現的是一次性變換，所以能獲得較高的效率和可靠性。單級PFC電路正因為具有這些優良的性能而越來越得到廣泛的研究和應用。

但是與傳統的兩級式DC/DC變換器相比，單級PFC變換器要承受更高的電壓應力，有更多的功率損耗。這個問題在開關頻率較高時顯得尤為突出。而且由于開關工作頻率不斷提高所帶來的電磁干擾問題也日益嚴重，顯著影響了變換器工作的可靠性和頻率的提高。單級方案中還存在儲能電容電壓過高的情況，而且儲能電容電壓隨著輸入電壓及負載的變化而升高，這將會導致電路的穩態特性受到一定的影響，同時某些元器件的體積成本會有所提高，這都是期待解決的問題。通過比較可知，在輸出功率相同的情況下，單級功率因數校正電路在功率因數校正能力和電源的轉換效率等方面，相對于兩級功率因數校正電路而言，相對要差一些。近些年專家學者先后提出了許多零電壓及零電流軟開關技術，特別是將軟開關技術與單級隔離型PFC技術結合在一起的方法，另外怎樣降低儲能電容上的電壓也是現在單級功率因數校正研究的熱點。

4、功率因數校正技術的發展方向

功率因數校正技術從早期的無源電路發展到現在的有源電路，新的拓撲和技術不斷涌現。本文主要討論了有源功率因數校正方法。

通常從以下幾個方面來判斷一個功率因數校正電路的優劣：功率因數的高低；輸入電流波形畸變的大小；效率和功率密度的高低；開關管應力的大小。一般要求功率因數要高，具有良好的動態性能和穩定的輸出電壓，同時還要求開關損耗要小，電壓應力低，開關頻率高，體積小，成本低等。而單一類型的PFC變換器要同時滿足這些要求是很困難的。這就要求采用復合類型的，在增加較少成本的條件下，盡可能滿足各項要求。也可采用最優化設計方法，使PFC變換器的某個技術或經濟指標為最優或接近最優的情況下，獲得該電路的一組最優參數，并滿足其他各項性能指標要求。

近年來，功率因數校正技術研究的熱點問題集中在以下幾個方面: 基于己有的原理新拓撲結構的提出；把軟開關等技術應用于PFC電路中；單級PFC穩壓開關變換器的穩定性等的研究。因此，高性能、低成本的功率因數校正技術是研究人員追求的最終目標。

參考文獻

【1】 嚴百平，不連續導電模式高功率因數開關電源【M】．北京：科學出版社，2000 【2】 陳衛昀．一種新型單級功率因數校正和變換電路【J】.電工技術雜志，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． 開關電源功率因數校正電路設計與應用【M】．北京：人民郵電處版社，2004．

第二篇：電子負載在開關電源測試中的應用

電子負載在開關電源測試中的應用

隨著電力電子技術的高速發展，電力電子設備與人們的工作、生活的關系日益密切，而電子設備都離不開可靠的電源--開關電源。開關電源產品廣泛應用于工業自動化控制、軍工設備、科研設備、LED照明、工控設備、通訊設備、電力設備、儀器儀表、醫療設備、半導體制冷制熱、空氣凈化器、電子冰箱、液晶顯示器、LED燈具、通訊設備、視聽產品、安防、電腦機箱、數碼產品和儀器類等領域。

開關電源是一種電壓轉換電路，主要的工作內容是升壓和降壓，廣泛應用于現代電子產品。因為開關三極管總是工作在 “開” 和“關” 的狀態，所以叫開關電源。開關電源是利用現代電力電子技術，控制開關晶體管開通和關斷的時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源。

現代開關電源有兩種：一種是直流開關電源；另一種是交流開關電源。本文里所提到的開關電源則只是指直流開關電源，其功能是將電能質量較差的原生態電源（粗電），如市電電源或蓄電池電源，轉換成滿足設備要求的質量較高的直流電壓（精電）。直流開關電源的核心是DC/DC轉換器。因此直流開關電源的分類是依賴DC/DC轉換器分類的。也就是說，直流開關電源的分類與DC/DC轉換器的分類是基本相同的，DC/DC轉換器的分類基本上就是直流開關電源的分類。

深圳市費思泰克科技有限公司研發制造的可編程直流電子負載系列產品--FT6800A系列大功率可編程直流電子負載、FT6600A系列多通道可編程直流電子負載和FT6300A系列單通道可編程直流電子負載在應用領域得到了廣泛的應用。

開關電源在研發、制造以及品質檢查過程中需要到一種專業的測試設備--直流電子負載。費思可編程直流電子負載在對開關電源做測試時，可以提供恒流、恒壓、恒阻和恒功率四種測試模式，并且這四個模式均可做瞬態測試，同時在測試過程中開過電源出現的過電流、過電壓、過功率、電壓反向、過熱、吃載電壓和失控等異常現象，費思電子負載可根據異常類型采取相應的保護措施，以有效得保護開關電源和負載本身。產品本身具有強大的自動測試功能，無需人為干涉，真正實現了產品的測試自動化。

此外，費思科技為負載本身提供了一套具有虛擬儀器功能的功能性軟件，對于在測試過程中得到的數據可以打印報告、生成圖像、導出報表及保存數據，軟件以圖像和數據共同顯示的方式，更直觀和便于對比。可以說，費思可編程直流電子負載是開關電源制造企業在產品研發、制造以及品質檢查過程中更精確、更周到及更方便的測試解決方案。在開關電源測試中應用到直流電子負載的項目主要有：功率因素和效率測試、能效測試、輸入電流測試、浪涌電流測試、電壓調整率測試、負載調整率測試、輸入緩慢變動測試、紋波及噪音測試、上升時間測試、下降時間測試、開機延遲時間測試、關機維持時間測試、輸出過沖幅度測試、輸出暫態響應測試、過電流保護測試、短路保護測試、過電壓保護測試、重輕載變化測試、輸入電壓變動測試、電源開關循環測試、元器件溫升測試、高溫操作測試、高溫高濕儲存測試、低溫操作測試、低溫儲存測試、低溫啟動測試、溫度循環測試、冷熱沖擊測試、絕緣耐壓測試、跌落測試、絕緣阻抗測試和額定電壓輸出電流測試等等數十項。

隨著科技技術的發展，模塊化是開關電源發展的總體趨勢，可以采用模塊化電源組成分布式電源系統，可以設計成N+1冗余電源系統，并實現并聯方式的容量擴展，這就使得開關電源進入更廣泛的應用領域，特別是在高新技術領域的應用，推動了開關電源的發展前進。另外，開關電源的發展與應用在節約能源、節約資源及保護環境方面都具有重要的意義。

相信電力電子技術的不斷創新，必然會使開關電源產業有著更為廣闊的發展前景。而要加快我國開關電源產業的發展速度，就必須走技術創新之路，走出有中國特色的產學研聯合發展之路，為我國國民經濟的高速發展做出貢獻。（責編：佩）

第三篇：磁珠原理及其在開關電源中的應用

磁珠原理及其在開關電源中的應用

導 讀：由于電磁兼容的迫切要求，電磁干擾(EMI)抑制元件獲得了廣泛的應用。然而實際應用中的電磁兼容問題十分復雜，單單依靠理論知識是完全不夠的，它更依賴于廣大電子工程師的實際經驗。為了更好地解決電子產品的電磁兼容性這一問題，還要考慮接地、電路與PCB板設計、電纜設計、屏蔽設計等問題。本文通過介紹磁珠的基本原理和特性來說明它在開關電源電磁兼容設計中的重要性與應用，以期為設計者在設計新產品時提供必要的參考。

磁珠及其工作原理

磁珠的主要原料為鐵氧體，鐵氧體是一種立 方晶格結構的亞鐵磁性材料，鐵氧體材料為鐵鎂合金或鐵鎳合金，它的制造工藝和機械性能與陶瓷相似，顏色為灰黑色。電磁干擾濾波器中經常使用的一類磁芯就是 鐵氧體材料，許多廠商都提供專門用于電磁干擾抑制的鐵氧體材料。這種材料的特點是高頻損耗非常大，具有很高的導磁率，它可以使電感的線圈繞組之間在高頻高 阻的情況下產生的電容最小。新晨陽鐵氧體材料通常應用于高頻情況，因為在低頻時它們主要呈現電感特性，使得損耗很小。在高頻情況下，它們主要呈現電抗特性并且隨 頻率改變。實際應用中，鐵氧體材料是作為射頻電路的高 頻衰減器使用的。實際上，鐵氧體可以較好的等效于電阻以及電感的并聯，低頻下電阻被電感短路，高頻下電感阻抗變得相當高，以至于電流全部通過電阻。鐵氧體 是一個消耗裝置，高頻能量在上面轉化為熱能，這是由它的電阻特性決定的。

對于抑制電磁干擾用的鐵氧體，最重要的性能參數為磁導率和飽和磁通密度。磁導率可以表示為復數，實數部分構成電感，虛數部分代表損耗，隨著頻率的增加而增 加。因此它的等效電路為由電感L和電阻R組成的串聯電路，電感L和電阻R都是頻率的函數。當導線穿過這種鐵氧體磁芯時，所構成的電感阻抗在形式上是隨著頻 率的升高而增加，但是在不同頻率時其機理是完全不同的。在高頻段，阻抗主要由電阻成分構成，隨著頻率的升高，新晨陽電容電感磁芯的磁導率降低，導致電感的電感量減小，感抗成分減小，但是，這時磁芯的損耗增加，電阻成分增加，導致總的阻抗增加，當高頻信號通過鐵氧體時，電磁干擾被吸收并轉換成熱能的形式消耗掉。在低頻段，阻抗主要由電感的感抗構成，低頻時R很小，磁芯的磁導率 較高，因此電感量較大，電感L起主要作用，電磁干擾被反射而受到抑制，并且這時磁芯的損耗較小，整個器件是一個低損耗、高品質因素Q特性的電感，這種電感 容易造成諧振，因此在低頻段時可能會出現使用鐵氧體磁珠后干擾增強的現象。

磁珠種類很多，制造商會提供技術指標說明，特別是磁珠的阻抗與頻率關系的曲線。有的磁珠上有多個孔洞，用導線穿過可增加元件阻抗(穿過磁珠次數的平方)，不過在高頻時所增加的抑制噪聲能力可能不如預期的多，可以采用多串聯幾個磁珠的辦法。

值得注意的是，高頻噪聲的能量是通過鐵氧體磁矩與晶格的耦合而轉變為熱能散發出去的，并非將噪聲導入地或者阻擋回去，如旁路電容那樣。因而，在電路中安裝鐵氧體磁珠時，不需要為它設置接地點。這是鐵氧體磁珠的突出優點。

關鍵字：磁珠 電感

第四篇：開關電源在專業功放中的應用分析

開關電源在專業功放中的應用分析 廣州郵科電源，直流電源、通信電源生產廠家，服務熱線：020-85532781 官網：眾所周知：現代開關電源技術的發展正以空前的規模改造著傳統的舊式電氣設備，廣泛進入了國民經濟和人類生活的各個領域。它具有功率密度大、體積小、重量輕、高效率、高可靠性和低噪聲，低污染的優良品質，極大地節約了電能、降低了材耗與成本，明顯地減少了電磁干擾。正如現時在我們日常生活中流行的“變頻空調”、“節源40%以上的冰箱”、及工業常見的“弧焊、電解、加熱、充電、超聲、電機調速”等等高技術附加值產品，正就是使用了高頻開關電源技術的結果！

我們現在來回顧一下：我們現代的高頻大功率開關穩壓電源技術，其實是一項知識面寬、跨度大、難度大、又極具風險的復雜技術，它能把電網提供的強電和粗電，變換成各種電氣設備和儀器所需要的高穩定度精電和細電，即提供不同規格的電壓和電流值，它是現代電子設備中重要的中央供電系統。有統計稱：在電氣設備中的常見故障有近一半出在電源問題上，我想這一點都不為過。因為現代高頻開關電源所涉及的內容橫跨了多個學科，大概如微電子精細加工的智能化控制芯片系統，和日益更新的高性能功率電力器件及高頻變壓器磁性材料，非晶和微晶等等領域，正是如此，也就足以證明了這項技術的高科技含量的價值，是一般企業可望而不可及的。由于時間關系，在此也就不多作展開闡述了。我現在所講的專業攻放開關電源：就是在現代高頻開關穩壓電源的基礎上解除了其大環路反饋，消除了其因穩壓需要而調整開關脈寬而造成開關轉換速率突降而形成對功放大動態瞬間輸出供電電力不足矛盾的一種新型電源。它就是一種全新開發的無反饋、無穩壓、有良好浮動負載驅動能力的專利技術FPA品牌專業功放專用開關電源，也就是我今天所講的主題。

FPA專業功放專用配套“高頻開關電源”除具有以上優點外，更具特有的軟接通軟關斷及交流功率因素校正（PFC）電路單元，絕對杜絕了開關機對電網的沖擊和污染，使交流電源的利用率提高40%以上。對過欠壓、過載、短路等完善的保護電路措施也是此電源的又一亮點。此外，還采用了智能壓限電路，保證該機在不同負載（1Ω-16Ω）不同功率下均徹底消滅了削波失真。還有，該機的負載范圍寬，在2Ω負載下仍能長期穩定地工作，因而適應能力更廣。它也具有橋接功能，先進的溫控系統；更值得一提的是，它還有對整機輸入信號的靈敏度有自動適應能力（0dB～+20dB），對各種音源的適應能力更強大。此電源的最大輸出功率在4000-5000W間，目前電源產品輸出最高直流電壓為：±75V、±150V、單邊電流30A，完全滿足二階H類專業功放的供電，此電源對應功放輸出有：8Ω/85V即950W連續有效功率，4Ω/70V即1200W連續有效功率，此功放對應公司型號為FPA品牌CE1200，重量僅是傳統的1/

4、2U機箱。由于應用了開關電源的專業功放體現眾多優點，它代表專業功放的發展方向，是當前專業功放又一佳作。

第五篇：Matlab在變流裝置功率因數教學中應用ing

Matlab在整流裝置功率因數教學中的應用

臧義，蘇寶平

(河南工業大學 電氣工程學院，河南省 鄭州450007)摘要：在電力電子技術課程教學中，整流裝置功率因數的分析與講解是課程難點之。利用Matlab電力系統工具箱搭建各種仿真模型，可以方便的觀察電路變化對輸入輸出波形及其諧波以及無功功率特性的影響，從而得出提高電路功率因數的各種方法。結合Matlab仿真進行教學，有利于增強學生對功率因數概念的理解。

關鍵詞：電力電子 變流裝置 功率因數 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

功率因數是衡量電氣設備用電效率高低的一個系數，是電力系統的一個重要技術數據。功率因數低，說明電路消耗的無功功率大，降低了電力設備（如發電機、變壓器等）的利用率，增加了輸電線路上的供電損失。功率因數與電路的負載性質有著直接的關系，負載類型對功率因數的影響已為人們所熟知，而電力電子裝置等非線性設備產生的諧波也對功率因數有著直接的影響。若負載中有電感、電容及電阻以外的元件（非線性負載），會使得輸入電流的波形扭曲，也會使視在功率大于有功功率。本文主要以多脈波整流電路為例，對電力電子裝置的功率因數進行分析，進而給出提高整流電路功率因數的常用方法。

電壓u與電流i的波形如圖2所示，輸入電壓u為正弦波，輸入電流i為正負對稱的矩形波，且相位滯后電壓φ角度；i1是輸入電流的基波分量。

VT1VT2iuidudLRTabVT3VT4

圖 1 單相橋式整流電路

u,iI φui1iωt1.變流裝置功率因數分析

變流裝置的功率因數定義為交流側有功功率與視在功率的比值。以單相橋式全控整流電路為例，當整流電路輸出端串接平波電抗器的電感量足夠大時，其負載電流Id的波形基本上是水平的[教材]，電路如圖1所示。在理想情況下，整流電路交流側輸入

圖 2 感性負載時輸入波形

電路提供給整流裝置的總功率即視在功率為S=U*I，U、I分別為交流電壓、電流的有效值。

由于u是正弦波，而i是正負對稱的矩形波，由電工基礎可知只有同頻率的電壓與電流才能夠形成有功功率，非正弦電壓與電流構成的有功功率為直流分量功率與各次諧波有功功率之和。對于上述幅值為I的矩形波電流在上升沿處進行傅里葉級數展開，可得：

i=4Iπ(sinwt+13sin3wt+15sin5wt+L+1

ksinkwt+L)(k為奇數)由于電壓波形為正弦波，因此電流僅有基波分量能夠與其形成有功功率。電網輸入的有功功率P為：P=U*I1cosφ

其中I1—交流電流基波分量的有效值；cosφ—基波電流i1與u相位差的余弦，稱為位移因數；從圖中可以看出，對于單相整流電路，φ即是電路的控制角α。

所以該整流裝置的總功率因數λ可表示為：

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

式中ν=I1/I是電流基波有效值與總電流有效值之比，表示電流波形的畸變程度，稱為畸變系數。

因此，整流裝置的功率因數等于畸變系數與位移因數的乘積。當電壓電流波形均為正弦時，畸變系數值為1，功率因數僅與位移因數有關；因此，通常用cosφ表示普通正弦電路的功率因數。

對于上述整流電路，矩形波交流電流i的基波分量為i1=4*I*sinωt/π，基波分量的有效值為I1=4*I/(sqrt(2)*π)，畸變系數ν= I1/I=0.9。因此，電路的總功率因數為λ=0.9 cosα。當控制角α=0°時，功率因數最大為0.9。這是因為此時電流基波與電壓同相位，但是由于電流為矩形波，存在的諧波電流產生了無功功率，使整流電路的功率因數降低。

2.提高電路功率因數的方法

從上述分析可以看出，晶閘管可控整流

裝置功率因數低的原因有：

一、電壓與基波電流之間的位移因數，該系數是由于可控整流裝置通過控制角α調壓引起的。

二、電流波形畸變程度較大，電流波形中的高次諧波均為無功分量；所以減小諧波含量與提高功率因數有直接關系。可以采用以下方式，提高裝置的功率因數。

1)小控制角運行，采用整流變壓器二次側抽頭或者星三角形變換等方法降低加在整流裝置上的二次電壓，使裝置盡量運行在小控制角狀態，減小電壓與電流間的位移。2)增加整流相數，整流相數越多，電流中高次諧波的最低次數越高，且幅值也越小，使畸變系數更接近1。如三相橋式整流電路的畸變系數為0.955。

3)設置補償電容，由于電容電流超前電壓，當電容與負載并聯式，可使從而使位移因數接近1。但由于變流電路大多會產生高次諧波，在某一頻率附近電容可能會與電路中的電感產生諧振而被擊穿。因此，對于高次諧波電流引起的電路功率因數變低，如常用的變頻器，設置補償電容并不合適。4)用不可控整流配合直流斬波調壓來代替可控整流，這樣可以使位移因數為1，而且直流回路的高頻濾波比較容易。

5)可控整流中，采用全控型可關斷器件實現強迫換相。例如對于控制角為α的電路，在π-α時關斷導通器件，從而使基波電流與電源電壓同相位，位移因數為1。該方法也成為對稱角控制，但每半個周期內只有一個脈沖，最低次諧波為三次，仍給濾波帶來了困難。脈寬調制（PWM）整流技術利用全控型開關器件，使電路輸入電流脈寬按照正弦規律變化，從而減少輸入電流諧波成分。這種整流方式也稱為斬控整流，不但具有對稱角控制的優點，而且可以使交流電網輸入電流十分接近正弦，諧波成分少，裝置的功率因數可接近1。

3.仿真分析

從上述方法2中的分析可知，增加整流相數有利于減小波形的畸變，進而提高功率因數。實際使用中，可以將基本整流電路進行多重連接來實現，例如將變壓器兩組二次繞組分別接成星形和三角形，且一次繞組和兩個二次繞組的匝數比為1:1:1.732時，可以在二次側得到幅值相等、相位相差30°的兩組三相交流電。分別進行整流后再串聯，即可得到每個交流電源周期脈動12次的12脈波整流電路。

利用Matlab/Simulink搭建了上述整流后串聯電路的仿真模型，如圖3所示。電源

Scope相電壓峰值100V，頻率50Hz，三相三繞組變壓器接成YYD形式，電壓比為1:1:1。負載電感100mH，電阻10Ω。其中由Current Measurement讀取變壓器A相電流，經示波器Scope顯示并保存數據后，利用Powergui模塊對其進行快速傅里葉被變換FFT分析。【洪乃剛p113】

iAi+-ABC+v-+v-+v-Current Measurementa2b2c2a3b3c3gABC+-Y Thyristor ConverterLoadTransformer30alpha_degPYABCPDblockgABC+uaubVaVbVc0-ucEnable Synchronized12-Pulse GeneratorD Thyristor ConverterContinuouspowergui 圖 2 12脈波整流仿真電路當接大電感負載時，該電路的輸入電流波形如圖b所示。其中圖b的電流i'ab2為變壓器二次側第二組繞組電流iab2折算到一次側A相繞組中的電流，圖b的輸入總電流iA為圖a中ia1和i'ab2的和。可以看出，電網輸入電流為六個階梯的波形，更接近正弦。

其中二次側電流ia的傅立葉級數表達式為：

另一組二次側電流iab超前ia相位30°，由于繞組是星形/三角形連接，所以折合到一次側時，可以表示為：

i'ab=2311Id[sinwt+sin5wt+sin7wtp5711+sin11wt+sin13wt+L]1113 網側輸入總電流iA為ia1和i'ab2的和：

ia=2311Id[sinwt-sin5wt-sin7wtp5711+sin11wt+sin13wt-L]1113式中，??2?f是電源電壓角頻率，IdiA=i'a+i'ab=431Id[sinwt+sin11wtp11111+sin13wt+sin23wt+sin25wtL]***Idsinwt+Id?sinnwtppn=12k 1nk=1,2,3L

=是直流電流。

由于變比為1:1，所以折合到一次側后的表達式與上式相同。

可以看出，二次側中含有的5、7次兩個主要電流諧波被消除，輸入電流中僅含有12k±1次諧波，且隨著諧波次數增加，諧波幅值逐漸降低，因此基波電流畸變程度降低。

可得電流基波有效值為：I431?2?Id，畸變系數ν= I1/IA=0.9886。

利用powergui中的FFT Analysis模塊可以對各個波形進行諧波分析，從一次側電流頻譜可以看出，波形中不含偶次諧波、6的整數倍諧波，主要諧波是11、13、23、25…，基波電流有效值約為0.9886，均與理論分析結果相符。

隨著整流脈波數的增加，整流裝置的諧波性能及功率因數均會提升。目前在單元串聯型高壓變頻器中，普遍利用移相變壓器來降低輸入電流諧波，提高系統的功率因數。

4.結論

本文對非線性電路功率因數進行了分析，并介紹了提高變流電路功率因數的方法。以十二脈波整流電路為例，通過傅里葉級數對輸入電流的諧波成分進行了詳細的理論分析；利用Matlab/Simulink搭建了仿真模型，對系統諧波及基波成分進行了測量，仿真結果與理論分析一致。對整流裝置功率因數的研究，可以為進一步學習諧波抑制和無功補償奠定基礎。對于電力電子電路的研究和分析，通過仿真可以省去復雜的計算，是一種高效便捷的方法。

參考文獻

[1] 丘東元,眭永明,王學梅,張波.基于Saber的“電力電子技術”仿真教學研究[J].電氣電子教學學報.2011(02)[2] 廖德利,李先允.應用型本科“電力電子技術”實驗教學探討[J].中國電力教育.2010(28)[3] 榮軍,萬軍華,陳曦,萬力.計算機仿真技術在電力電子技術課堂教學難點中的應用[J].實驗技術與管理.2012(08)[4] 劉晉,牛印鎖,文俊.國內外“電力電子技術”課程教學研究[J].中國電力教育.2012(06)[5] 李先允,廖德利,許峰,陳剛.應用型本科“電力電子技術”教學改革與實踐[J].電氣電子教學學報.2011(S1)

[6] 戴鈺,丘東元,張波,肖文勛.基于Matlab的移

相全橋變換器仿真實驗平臺設計[J].實驗技術與管理.2011(05)

[7] 丘東元,劉斌,張波,王學梅.“電力電子技術”綜

合性課程設計內容探討[J].電氣電子教學學報.2012(01)

[8] 丘東元,張波.基于仿真平臺的“電力電子技

術”教學模式探討[J].電氣電子教學學報.2010(02)

[9] 傅永花,張波,丘東元.無功補償自動投切裝置

——一個AC—AC變換器教學實例[J].實驗技術與管理.2011(02)

[10] 戴鈺,丘東元,張波,肖文勛.基于Matlab的移

相全橋變換器仿真實驗平臺設計[J].實驗技術與管理.2011(05)