淺析單相橋式整流電路的功率因數校正

王國亮

摘? 要：開關電源自誕生以來，以巨大的優勢廣泛的應用在人們的工作和生活中。但由于開關電源的非線性和低功率因數，給電網注入大量的諧波電流，導致輸入電流的波形發生嚴重畸變，以至于電網的諧波污染日益嚴重。首先，本文從理論上研究分析了整流電路和功率因數校正技術的工作原理，以單相橋式不可控整流電路為例，對其進行整流和功率因數校正。通過簡單的無源功率因數校正和采用平均電流控制的拓撲結構為Boost型的有源功率因數校正技術，進行功率因數校正，從而達到提高功率因數的目的。其次，通過MATLAB/Simulink仿真平臺，分析了在加入和未加入功率因數校正電路時，交流側電流中的諧波含量，將前后的仿真數據進行分析對比，結果表明，無源的功率因數校正雖然提高了功率因數，但THD（Total Harmonic Distortion，諧波失真度）仍然很高，而有源功率因數校正不但提高了功率因數而且諧波失真度很低，取得很好的效果，驗證了本文理論分析的正確性。最后，利用MATLAB軟件中的powergui模塊，實現了諧波含量數據的可視化。

關鍵詞：開關電源;橋式整流電路;功率因數校正;仿真分析

1 PFC技術原理及其控制方法

1.1 PPFC技術主電路的工作原理

傳統的PFC電路由整流橋后的濾波電感和整流橋后的濾波電容構成的一個無源功率因數校正電路，無源功率因數校正電路通過LC濾波消除電流的高次諧波，從而達到提高開關電源功率因數的目的。

1.2APFC的主電路原理圖

平均電流控制的原理圖如圖1.1所示。

如圖1.1所示為單相橋式不可控APFC電路是在單相橋式不可控整流和負載之間增加一個DC/DC功率變換電路，采用的是Boost電路。通過適當的控制Boost電路中開關管的通斷，將整流器的輸入電流校正成為與電網電壓同相位的正弦波，消除諧波和無功電流，將電網功率因數提高到近似為1。

2 系統的仿真

2.1 無PFC功能的整流電路仿真結果與分析

（1） MATLAB仿真得到的輸入電流及輸出電壓波形如圖2.1所示。

（2） 輸入電流波形的諧波分析如圖2.2所示。

由圖2.1可以看出不加入功率因數校正電路時，輸入電流產生的嚴重的畸變，輸入電流波形幾乎為尖峰波，電流相位與電壓相差很大，由圖2.2的諧波分析可以看到，電流波形的諧波含量很大，而且其失真度很大高達103%，經過計算得到功率因數為0.48，功率因數很低。

2.2 加入功率因數校正時的仿真結果與分析

2.2.1 仿真結果

（1） 無源功率因數校正時電路輸入電流波形如圖2.3所示。

（2） 無源功率因數校正時電路的輸入電流的諧波分析如圖2.4所示。

由圖2.3可以看出加入無源功率因數校正電路時，輸入電流產生的畸變得到了一定的改善，但輸入電流波形仍然不接近正弦波，經過功率因數的計算得到其功率因數為0.76，功率因數較未加入時提高了，但是由圖2.4的諧波分析看到，雖然功率因數提高了，但諧波含量仍然很高，且諧波失真度為55.24%，從前面的計算看出功率因數雖然提高了，但是其輸出是一種脈沖波，其對開關電源的損害很大。

（3） 有源功率因數校正時電路輸入電流波形如圖2.5所示。

（4） 有源功率因數校正時電路輸入電流波形的諧波分析如圖2.6所示。

由圖2.5可以看出加入了有源功率因數校正時，輸入電流與輸入電壓同相位，且輸入電流接近于正弦波，諧波含量明顯減小。由圖2.6可以知道加入功率因數校正時的， 經過計算功率因數達到0.993，接近于1。

結論

（1） 通過對開關電源、功率因數校正和諧波知識等知識的學習研究，確定了有源功率因數校正是提高功率因數和減小諧波污染的有效途徑。

（2） 經過仿真調試得到了較好的仿真波形，加入有源功率因數校正之后電流波形基本變為正弦波，能隨電壓波形變換，諧波成分含量很小，功率因數得到了提高，驗證了設計的電路的正確性。

【參考文獻】

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