500W功率因數校正電路：

功率因數校正的工作原理
1功率因數的定義
功率因數（PF）是指交流輸入有功功率（P）與輸入視在功率（S）的比值。其可以用公式（1）表示。
????????????? （1)
式中，I1表示交流輸入市電的基波電流有效值；Irms表示交流輸入市電電流的有效值；γ=I1/Irms，表示交流輸入市電電流的波形失真系數；cosφ表示交流輸入市電的基波電壓和基波電流的相移因數。

所以功率因數可以定義為交流輸入市電電流的波形失真系數（g）與相移因數（cosφ）的乘積，即功率因數PF主要由兩個因素決定：一是交流輸入市電的基波電流與基波電壓的相位差φ；另一個是交流輸入市電電流的波形失真因數γ。而傳統的功率因數概念是在電阻為線性負載，并假定輸入電流無諧波電流（即I1=Irms或交流輸入市電電流的波形失真系數g=1）的條件下得到的，這樣功率因數的定義就變成了PF=cosφ。

交流輸入市電的cosφ低，表示用電電器設備的無功功率大，供電設備的利用率低，供電設備的導線、變壓器繞組損耗大，降低了供電線路的使用效率。電流波形失真系數g值低，則表示輸入電流的諧波分量大而基波電流的幅度小，將造成輸入電流的波形畸變，對電網造成污染，嚴重時還會造成用電電器設備的損壞。

由于常規整流裝置使用非線性器件（例如，整流二極管或可控硅），整流器件的導通角小于180o，從而產生大量的諧波電流成分。而諧波電流成分不做功，只有基波電流成分做功，所以相移因數cosφ和電流波形失真系數(γ)相比，γ對供電線路的功率因數影響更大。

2 諧波電流對電網的危害
由于常規整流裝置（如二極管或可控硅等整流器件）的使用，使交流輸入電流波形中含有大量的諧波電流成分，大量的諧波電流倒流入電網（稱為諧波幅射：Harmonic Emission）會對電網造成“污染”，產生以下不利影響。

①諧波電流的“二次效應”，即諧波電流流過線路阻抗而造成的諧波電壓降反過來會使電網電壓波形（原來是正弦波）發生畸變。

②過大的諧波電流會引起供電線路故障，從而損壞用電設備。例如，過大的諧波電流會使線路和配電設備過熱，還會引起電網LC諧振，或高次諧波電流流過電網的高壓電容，使之過電流、過熱而導致電容器損壞。

③在三相四線制電路中，三次諧波在中線中的電流同相位，導致合成中線電流很大，有可能超過相線電流，中線又無保護裝置，使其因過熱而引起火災，從而損壞電氣設備。

④諧波電流對自身及同一系統中的其他電子設備會產生惡劣的影響，例如，會引起電子設備的誤動作和故障等。

3 功率因數與總諧波失真系數（THD）的關系
電路總諧波失真系數（THD）可以利用公式（2）來計算。
???? （2）
方波電壓的各次諧波電壓的疊加分解圖（高至9次諧波）如圖1所示。

圖1? 方波電壓的各次諧波電壓的疊加分解圖（高至9次諧波）

方波電壓可以用函數表達式（3）來表示。
(3)
由功率因數（PF）的定義：
及公式（2），有公式（4）成立。
?（4)
即，?????????? （5)
從上面的討論可以看出，功率因數是和交流輸入市電電流的諧波成分有關的，利用總諧波失真系數和電流波形失真因數之間的關系式可以得到公式（6）。
???? （6)
當交流輸入市電的電壓、電流同頻和同相位時，有cosφ=1，相應有公式（7）成立：
?(7)
對純正弦波電壓和電流而言，由于它的總諧波成分為零，所以波形失真系數為1，并且正弦波電壓和電流之間相位差φ為0，從而電源輸入側的功率因數就為1，如果正弦波電壓和電流之間相位差φ不為0，則電路的功率因數是他們相位差φ的余弦值。

當φ=0時（為計算方便），功率因數與THD間存在如表1所示的關系。可見，當THD≤5%時，功率因數可控制在0.999左右。

4 功率因數校正實現方法
要提高功率因數，有兩個途徑：
① 使輸入電壓、輸入電流同相位，此時cosφ=1，所以PF=g。

② 使輸入電流正弦化，即Ii=I1（諧波為0），有I1/Ii=1，即PF=g×cosφ=1。

FAN4810的特點與應用

1 FAN4810的技術特點
① 滿足UL1950要求的三重故障檢測（TriFault Detect）技術要求，增強了電路工作的可靠性；

② 擺率增強跨導誤差放大器可以滿足快速的PFC響應；

③ 低功耗，啟動電流為200μA，工作電流為5.5mA；

④ 總諧波失真THD小，功率因數PF值高；

⑤ 工作于平均電流，電流連續（CCM）升電壓前沿PFC控制工作方式；

⑥ 內部的電流前饋增益調制器可以改善電路的抗干擾特性；

⑦ 過電壓和交流輸入市電電壓過低保護，欠電壓鎖定輸出（UVLO）和軟啟動；

⑧ 同步時鐘輸出。

2? FAN4810的工作原理
FAN4810工作于前沿平均電流、電流連續（CCM）升電壓輸出工作模式，內部的三重安全檢測技術可使電路免受由于某個電路元器件的損壞而使電路處于不正常工作狀態；柵極輸出驅動能力高達1A，因而無須外接功率MOSFET驅動電路；低功耗特性改進了電路的工作效率，并降低了元器件的損耗。FAN4810還具有峰值電流限制功能，利用內部的交流輸入電壓過低保護和輸出過電壓保護電路，在輸出負載突變的情況下通過內部的過電壓比較器可以關斷PFC電路的工作，輸出時鐘信號可用于同步下級PWM電路，以降低電路工作躁聲。FAN4810的引腳圖如圖2所示，其工作原理框圖如圖3所示，FAN4810引腳功能如表2所示。

圖2? FAN4810引腳圖

圖3? 工作原理框圖

3 采用FAN4810的500W/PFC設計
下面介紹采用FAN4810的500W功率因數校正電路設計的有關方法，電路工作原理圖如圖4所示，該500W輸出電路的PFC輸出電壓為400VDC，輸出電流為1.25A，交流輸入市電電壓適應范圍為90～264VAC。

圖4? 采用FAN4810的500W有源功率因數校正電路的電路原理圖

①? 500W/PFC電路技術指標
　　輸出功率：500W
　　VMIN=80VAC（RMS）
　　VMAX=264VAC（RMS）
　　工作效率η=0.93
　　VO=400VDC
　　VO-MIN=300VDC
　　開關工作頻率fs=100kHz
　　保持時間THDL=20ms
　　THD（總諧波失真）=5%
　　dI紋波=20%紋波電流
　　交流輸入市電頻率=60Hz

② 功率回路元器件的選擇
FAN4810可用于任何工作于電流連續導通工作模式（CCM）下的PFC應用場合，可以滿足IEC 3000-3-2的有關技術要求，下面介紹有關功率回路元器件（升電壓電感、輸出電容和有關功率開關器件）的計算方法。

● 升電壓輸出電感參數的計算
FAN4810工作于電流連續導通工作模式（CCM）以降低峰值電流和提高可用的輸出功率。升電壓輸出電感參數與電流變化、高頻電流的峰峰值有關，電流變化??應在最大電源市電輸入電流峰值的20%以內。
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式中，I_LINE_PK表示在電源市電供電電壓低時的輸入峰值電流；VMIN表示電源市電供電電壓低時的有效電壓值；PO表示輸出功率；η表示工作效率；參數I_LINE_PK將決定ΔI的取值；I_LMAX表示通過PFC電感的最大電流值；dI表示指定的電流變化百分比。

影響輸出升電壓輸出電感參數選取的其他因素是占空比D和開關工作頻率fs，占空比D的計算見公式（11），電感L參數計算見公式（12）：
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● 濾波電容參數的選取
影響濾波電容參數選取的主要因素是保持時間（Thld），是指在電源供電斷開后電源輸出指標仍在指定范圍內的時間。供電斷開后，下級變換器的供電仍由濾波電容所存儲的電能Jthd供電，在保持時間內濾波電容上的電壓逐步下降。

● 功率元器件的選擇
升電壓輸出二極管D1和PFC功率開關管Q1可以根據500V的額定值或大于400V的PFC輸出直流電壓的原則選擇。I_LMAX_PK=10.45A也是升電壓輸出二極管D1和PFC功率開關管Q1的峰值電流，具體的型號選取和PFC電路的應用環境有關，例如，PFC電路的價位、通風情況、散熱器的尺寸等因素有關。

PFC電路應用要點
電路工作原理如圖4所示，通過電阻R13、R14對電容C15的充電，FAN4810的啟動過程就開始了。PFC開關管通過輸出升電壓電感L1對電容C5充電至400V，L1的輔助繞組通過D3、D4、C12和C16的整流濾波作用使FAN4810的VCC引腳得到+15V的穩定供電電壓。為了使電路穩定工作，需在FAN4810的VCC和VREF引腳加接高頻旁路電容，最好使用低等效串聯電阻（ESR）的瓷片電容或薄膜電容。在輸出升電壓功率開關管Q1導通前，應確保通過二極管D2快速的將電容C5充電至交流峰值電壓，以確保PFC電路的啟動。電容C5上的直流電壓值應確保大于輸入的交流輸入市電電壓的峰值電壓。Q4、R16和C20組成軟啟動電路，誤差放大器的輸出電壓VEAO通過Q4為電容C20充電，一旦電容C20上的電壓被充到VREF，Q4關斷，PFC電路的脈沖占空比正比于電壓VREF。當VREF=0時，PFC電路的脈沖占空比為0。

采用FAN4810的500W有源功率因數校正電路的電路原理如圖4所示，電路工作效率和THD與輸出功率的特性曲線如圖5所示，經功率因數校正后輸入的交流市電電流波形如圖6所示。

圖5? 工作效率和THD與輸出功率的特性曲線

圖6? 經功率因數校正后輸入的交流市電電流波形

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