第一章概述：

功率因數定義及諧波電源設計一直是一個極富挑戰性的工作，隨著許多傳統的難題得以解決，一些有關電源效率的規范和要求的標準將再次展現新的挑戰。規范標準的第一個階段其實已經開始，針對降低待機能耗(低負載狀態)方面。下一個階段的任務將更艱巨，就是提高工作狀態下電源的效率。在美國國家環保局“能源之星”計劃以及中國中標認證中心(CECP)的推動下，世界各地正在公布有關電源工作效率的新能效標準。這些更有挑戰性的標準將需要電源廠商及其供應商(包括半導體供應商)共同努力，提供能符合這些新要求的解決方案。

在這些趨勢中，(ICE1000-3-2)標準對功率因數校正(PFC)或降低諧波電流提出強制要求，為此，近年來在電源結構方面發生了較大的變化。隨著所有設備的功率不斷增大，及降低諧波電流的標準不斷普及，越來越多的電源設計已經采用PFC。設計人員因此面臨這樣一個難題，既要在產品中采用合適的PFC，也要滿足降低待機能耗、提高工作效率和EMI限制等高效指標。

功率因數校正解決方案的選擇范圍包括無源電路到各種有源電路，因應用的功率水平和其他參數的不同，解決方案也會有所不同。近年來隨著分立半導體元件的發展和更低價格的控制IC上市，進一步拓寬了有源PFC，解決方案的適用范圍。在評估PFC，解決方案時，重要的是要把整個系統的實施成本和性能結合起來進行綜合評估

(1) 提高功率因數的意義

1) 提高功率因數是節能的要求

功率因數的大小意味著在視在功率相同的情況下，所能提供給負載有功率的大小。若將功率因數從0.65.提高到0.90，則容量為1000kV；A的發電機可帶動功率為10kV；A。A的電動機的臺數從65臺增加到90臺。可見，提高因數能更充分地利用發電機設備的容量。功率因數小，不僅浪費能源，而且使線路上的電流增加，損耗增大，同時還存在火災隱患。

2）提高因數是提高電能質量，保證電力系統安全穩定運行的要求

近年來，電流波形失真已經繼相移因數成為第二個導致功率因數低的主要原因。大量高次諧波電流涌入各級電網，引起公用電網的電壓波形發生失真、三相電壓不對稱及電壓的波動和閃變，嚴重威脅電網和各種用電設備的安全經濟運行。

3）提高功率因數是各國限制電網諧波標準的要求

我國及國外許多國家均制定、頒發了控制和限制電力系統諧波的標準，其目的主要是為了控制電網中電壓和電流波形失真在允許范圍內，保護用電設備的安全運行，減少電網污染對通信系統造成的干擾。

功率因數校正電路對離線電源的輸入電流波形進行整形，以使從電源吸取的有功功率最大化。在理想情況下，電器應該表現為一個純電阻負載，此時電器吸收的反射功率為零。在這種情況下，本質上不存在輸入電流諧波。電流是輸入電壓(通常是一個正弦波)的完美復制品，而且與其同相。在這種情況下，對于進行所需工作所要求的有功功率而言，從電網電源吸收的電流最小，而且還減小了與配電發電以及相關過程中的基本設備有關的損耗和成本。由于沒有諧波，也減小了與使用相同電源供電的其他器件之間的干擾。當今眾多電源采用PFC，的另一個原因，是為了符合規范要求。

現在，歐洲的電氣設備必須符合歐洲規范EN61000.3.2。這一要求適用于大多數輸入功率為75W或以上的電器，而且它規定了包括高達39次諧波在內的工頻諧波的最大幅度。雖然美國還沒有提出此類要求，但是希望在全球銷售產品的電源制造商正在設計符合這一要求的產品。

(2)功率因數的定義

根據電工學的基本理論，功率因數(PE)可簡單地定義為有功功率(P)與視在功率(S)的比值，用公式表示為:

式中為輸入電流基波有效值為電網電流有效值，其中為各次諧波有效值；U1為輸入電壓基波有效值為輸入電流畸變因數，；為基波電壓與基波電流之間的相移因數。

在式(1-1)中，有功功率是一個周期內電流和電壓瞬時值乘積的平均值，而視在功率是電流的RMS值與電壓的RMS值的乘積。如果電流和電壓是正弦波而且同相，則功率因數是1.0。如果兩者是正弦波但是不同相，則功率因數是相位角的余弦。在電工基礎課程中，功率因數往往就是如此定義，但是它僅適用于特定情況，即電流和電壓都是純正弦波。這種情況發生在負載由電阻、電容和電感元件組成，而且均為線性(不隨電流和電壓變化)的條件下。

所以功率因數可以定義為輸入電流失真系數()與相移因數()的乘積。可見，功率因數由輸入電流畸變因數和基波電壓、基波電流和位移因數決定。

盡管電流波形有嚴重失真，電流和電壓仍可以完全同相。應用”相位角余弦”的定義會得出電源的功率因數為1.0的錯誤結論。

低，則設備的無功功率大，設備利用率低，導線、變壓器繞組損耗大；低，表示設備輸入電流諧波分量大，將造成電流波形畸變，對電網造成污染，使功率因數降低，嚴重時，會造成電子設備損壞。通常的無源電容濾波二極管整流電路的輸入端功率因數只能達到0.65左右。

從式(1:1)可見，抑制諧波分量即可達到減小，提高功率因數的目的。因此可以定性的說諧波的抑制電路即功率因數校正電路(實際上有所區別)。

因為輸入電路的原因，開關模式電源對于電網電源表現為非線性阻抗。輸入電路通常由半波或全波整流器及其后面的儲能電容器組成，該電容器能夠將電壓維持在接近于輸入正弦波峰值電壓值處，直至下一個峰值到來時對電容再進行充電。在這種情況下，只在輸入波形的各峰值處從輸入端吸收電流，而且電流脈沖必須包含足夠的能量，以便在下一個峰值到來之前能維持負載電壓。這一過程通過在短時間內將大量電荷注入電容，然后由電容器緩慢地向負載放電來實現，之后再重復這一周期。電流脈沖為周期的10%-20%是十分常見的，這意味著脈沖電流應為平均電流的5-10倍。