浅析单相桥式整流电路的功率因数校正

王国亮

摘  要：开关电源自诞生以来，以巨大的优势广泛的应用在人们的工作和生活中。但由于开关电源的非线性和低功率因数，给电网注入大量的谐波电流，导致输入电流的波形发生严重畸变，以至于电网的谐波污染日益严重。首先，本文从理论上研究分析了整流电路和功率因数校正技术的工作原理，以单相桥式不可控整流电路为例，对其进行整流和功率因数校正。通过简单的无源功率因数校正和采用平均电流控制的拓扑结构为Boost型的有源功率因数校正技术，进行功率因數校正，从而达到提高功率因数的目的。其次，通过MATLAB/Simulink仿真平台，分析了在加入和未加入功率因数校正电路时，交流侧电流中的谐波含量，将前后的仿真数据进行分析对比，结果表明，无源的功率因数校正虽然提高了功率因数，但THD（Total Harmonic Distortion，谐波失真度）仍然很高，而有源功率因数校正不但提高了功率因数而且谐波失真度很低，取得很好的效果，验证了本文理论分析的正确性。最后，利用MATLAB软件中的powergui模块，实现了谐波含量数据的可视化。

关键词：开关电源;桥式整流电路;功率因数校正;仿真分析

1 PFC技术原理及其控制方法

1.1 PPFC技术主电路的工作原理

传统的PFC电路由整流桥后的滤波电感和整流桥后的滤波电容构成的一个无源功率因数校正电路，无源功率因数校正电路通过LC滤波消除电流的高次谐波，从而达到提高开关电源功率因数的目的。

1.2APFC的主电路原理图

平均电流控制的原理图如图1.1所示。

如图1.1所示为单相桥式不可控APFC电路是在单相桥式不可控整流和负载之间增加一个DC/DC功率变换电路，采用的是Boost电路。通过适当的控制Boost电路中开关管的通断，将整流器的输入电流校正成为与电网电压同相位的正弦波，消除谐波和无功电流，将电网功率因数提高到近似为1。

2 系统的仿真

2.1 无PFC功能的整流电路仿真结果与分析

（1） MATLAB仿真得到的输入电流及输出电压波形如图2.1所示。

（2） 输入电流波形的谐波分析如图2.2所示。

由图2.1可以看出不加入功率因数校正电路时，输入电流产生的严重的畸变，输入电流波形几乎为尖峰波，电流相位与电压相差很大，由图2.2的谐波分析可以看到，电流波形的谐波含量很大，而且其失真度很大高达103%，经过计算得到功率因数为0.48，功率因数很低。

2.2 加入功率因数校正时的仿真结果与分析

2.2.1 仿真结果

（1） 无源功率因数校正时电路输入电流波形如图2.3所示。

（2） 无源功率因数校正时电路的输入电流的谐波分析如图2.4所示。

由图2.3可以看出加入无源功率因数校正电路时，输入电流产生的畸变得到了一定的改善，但输入电流波形仍然不接近正弦波，经过功率因数的计算得到其功率因数为0.76，功率因数较未加入时提高了，但是由图2.4的谐波分析看到，虽然功率因数提高了，但谐波含量仍然很高，且谐波失真度为55.24%，从前面的计算看出功率因数虽然提高了，但是其输出是一种脉冲波，其对开关电源的损害很大。

（3） 有源功率因数校正时电路输入电流波形如图2.5所示。

（4） 有源功率因数校正时电路输入电流波形的谐波分析如图2.6所示。

由图2.5可以看出加入了有源功率因数校正时，输入电流与输入电压同相位，且输入电流接近于正弦波，谐波含量明显减小。由图2.6可以知道加入功率因数校正时的， 经过计算功率因数达到0.993，接近于1。

结论

（1） 通过对开关电源、功率因数校正和谐波知识等知识的学习研究，确定了有源功率因数校正是提高功率因数和减小谐波污染的有效途径。

（2） 经过仿真调试得到了较好的仿真波形，加入有源功率因数校正之后电流波形基本变为正弦波，能随电压波形变换，谐波成分含量很小，功率因数得到了提高，验证了设计的电路的正确性。

【参考文献】

[1]贲洪奇，张继红，刘桂花.开关电源中的有源功率因数校正技术[M].北京：机械工业出版社，2010：1-48.

[2]马暖.开关电源的APFC电路的设计与研究[D].兰州：兰州交通大学，2012：5-44.