1 引言
使逆变电源适应不同的应用场合和性能要求，可采用不同的控制策略，有效消除或降低输出谐波是其最基本要求，如使用不同的pwm生成方法、特定谐波消除技 术、波形重构技术等。而当负载为非线性时，例如容性、感性负载或带电容和电感的整流器负载，负载会产生谐波和无功电流，导致功率因数较低，增加电能损耗， 降低效率，并带来一定干扰。为解决这些问题，在非线性负载时，要降低谐波，提高功率因数，应用功率因数校正技术是比较理想的方法。
功率因数校正(pfc)技术主要分为两类:无源功率因数校正和有源功率因数校正。无源功率因数校正通常在交流输出端采用lc滤波器法和并联电容器法;有源 功率因数校正通常是在整流器和逆变器之间接入ac-dc开关变换器，如采用专用控制芯片ml4812,uc3854等。本文在分析前两种功率因数校正方法 及其原理基础上，提出了在逆变器负载端并联功率因数校正整流器，实现提高功率因数的原理和方法。
2 无源功率因数校正
无源功率因数校正是在电路中接入lc滤波器，或在交流侧接入谐振滤波器;当负载为感性时，可在负载端并联电容器的方法提高功率因数。无源功率因数校正主要 优点是:简单、成本低、可靠、emi小，缺点是:尺寸与重量大、难以得到高功率因数、工作性能与频率、负载及输入电压有关[1]。对于逆变电源，一般情况 下，负载特性(阻抗，功率等)不可预知，要达到很高的功率因数，采用无源功率因数校正存在较大的困难。
当负载为感性时，除了接入无源滤波器外，根据负载工作情况，在负载端并联不同容量的电容器不失为一种较好的解决方法。
给定条件:感性负载功率为p，功率因数为cosφ1，负载两端电压为u，要把功率因数提高到cosφ2，则所需补偿的并联电容c=p(tgφ1- tgφ2)/(2πfv2)，用电容的无功功率qc来表示其容量时，需并联电容器的无功功率qc=p(tgφ1- tgφ2) [2]。只要测出当前的功率因数角φ1和负载电压u、电流i的值，即可求得需要补偿的电容大小。
3 常见的有源功率因数校正技术
对于逆变电源，有源功率因数校正(apfc)通常是在整流器和逆变器之间接入ac-dc开关器件，常用乘法器控制方式，它有三种基本方法，即电流峰值控制、电流滞环控制以及平均电流控制法[1]。
电流峰值控制法中，开关管在恒定时钟周期导通，当输入电流上升到基准电流时，开关管关断。取样电流来自开关电流或电感电流。可实现电流峰值控制的ic有ml4812，ml4819等。
电流滞环控制法中，开关导通时电感电流上升，上升到上限阀值时，滞环比较器输出低电平，开关管关断，电感电流下降;下降到下限阀值时，开关管导通，电感电流上升，如此周期工作，取样电流来自电感电流。
平均电流控制将电感电流信号与锯齿波信号相加。当两信号之和超过基准电流时，开关管断开，否则，开关管导通。取样电流来自实际输入电流。用于平均电流控制的ic有uc3854，tk83854，ml4821等。
4 并联功率因数校正整流器
对于逆变电源的有源功率因数校正，大多数常见方法通常需要检测负载电流以及输入电压，并计算功率因数、电流谐波及无功成分，从而产生参考信号来控制逆变 器。这种控制方法需要快速实时计算，因此要有高速微处理器以及高性能的a/d转换器。而一些有源滤波器需要乘法器，检测主电路电流、输入电压。这些方法在 经济性、复杂程度、稳定性方面不能使人满意。
如图1所示的功率因数校正整流器与其他功率因素校正电路和方法相比，具有如下特点:
图1 pfc主电路
l v1, v2, v3, v4开关频率固定;
l 不需要产生参考电流来控制逆变器，不需要乘法器和复杂的dsp;
l 只需要一个主电路电流传感器，无需检测整流器输出电流及负载电流;
l 功率因数接近1。
l 全桥整流器采用固定频率pi控制，可在单极性或双极性模式下工作。
工作在双极性模式下时，处在整流桥对角的两个vmosfet器件(v1，v3或v2，v4)在同一时刻关断或导通;而处在同一桥臂上的vmosfet器件(v1，v2或v3，v4)关断和导通时间相反。
单极性模式下，在us>0时，即在交流电源电压正半周，v3始终导通，v1、v2以设定的开关频率轮流导通或关断;而在us<0时，即在交流 电压负半周，v4始终导通，v1、v2仍以设定的开关频率轮流导通或关断。这样，p、n两点间的电压upn(uo)波形如图2所示。因在交流电源电压的半 个周期内，upn只有一个极性(为非负或非正)，故称为单极性工作模式。
图2 单极性模式下upn与uo波形图
下面以单极性模式为例，对其控制原理进行分析。
(1) us>0时,lpfc的端电压ul＝us,(v1关断，v2导通);或ul= us－uo(v1导通，v2关断)。根据固定开关频率和准稳定状态分析，在一个开关周期ts(v1，v2轮流导通一次),电感的平均电压应趋于0，设一个 开关周期ts内，v1关断时间为kts(0us·kts+(us-u0)(1-k)ts=0, 即us×k+(us-u0)(1-k)=0 (1)(2) us<0时，有
us×k+(us+u0)(1-k)=0 (2)
由上述两式可得
(3)
为使功率因数达到1，pfc的目的就是使ac电流跟踪输入电压，即
us=re×is (式中re为等效电阻)
令
则
(4)
由(3)，(4)得
(5)
整流器的控制电路原理如图3所示，um为电压反馈补偿输出，令rs为电流检测等效电阻，
(7)
代入(5)式得
(8)
式(8)表明，通过控制交流输入电流ie来控制功率因数，并且比较容易地通过单周期控制实现。
图3 pfc控制原理图
图3中，iss，uos分别为对电源输出电流is、整流器输出电压uo的取样，us为电源输出电压。uref为给定参考电压，与uos作比较，经过比例积 分环节，再与电流信号iss作比较，通过触发器与逻辑电路输出控制4个vmosfet的驱动信号。比例积分环节中，比例系数可调，用来针对各种不同的负 载，积分时间τ等于开关周期，即τ＝ts。比例积分
环节输出信号为三角波信号，即
。系统可在较高的频率下工作。控制波形如图4所示。
图4 控制波形原理图
由控制电路及波形原理图可知，电路简单可靠。与双极性工作模式相比，单极性工作模式需要检测交流电压过零点，但单开关频率降低，开关损耗减少，效率提高。
5 结束语
本文在分析功率因数校正原理基础上，提出了一种采用固定频率、pi控制的功率因数校正整流器，实现在非线性负载下，提高负载功率因数，使其接近于1。电路 主要由整流器、比较器、触发器以及一些逻辑电路组成，需要检测主电路电流、电源电压过零点及整流器输出电压。试验表明，并联功率因数校正整流器后，逆变电 源在大范围的非线性负载下工作时，无论是容性负载还是感性负载或两者结合，都能大大降低电流谐波含量，提高功率因数。
参考文献
[1] 朱方明等. 有源功率因数校正技术原理及应用[j].现代电子技术，2002,10
[2] 杜开初. 智能功率因数补偿控制系统[j].龙岩师专学报，1996,3
[3] chong ming qiao. power factor corrected rectifiers, active power filters, and grid-connected utility inverters[d]. university of california, irvine, 2001.
