电网谐波抑制与有源功率因数校正电路APFC

公用电网谐波和基波无功功率的存在，最终均可归因于电网负荷的功率因数PF小于1并用其来表征。这里的PF包括相移因数和畸变因数(或称畸变系数、失真因数)。为了消除谐波和基波无功功率，应进行功率因数校正(PFC)，以提高负荷的功率因数，使其尽量接近于1，即等效于纯电阻负载。
传统的功率因数校正采用的是被动的无源校正网络，主要针对线性负荷如感性或容性负荷，以改善相移功率因数，降低无功功率。但其尺寸、重量大，难以得到高功率因数，且其工作性能与频率、负载变化及输入电压变化有关，因此对电网的适应性也较差。同时由于电网中存在高次谐波，也使这种无源PFC难以发挥更大的作用。另有一种被动的有源校正网络叫有源电力滤波器(APF)，它是一种动态抑制谐波和补偿无功功率的电力电子装置，能对频率和幅度都变化的谐波进行很好的补偿，对电网的适应性强，但其控制复杂、造价高昂。目前主要思路是将APF和无源校正网络混合使用，以图降低APF容量和整个校正网络的造价。这种网络主要用于大功率负荷。
    随着信息技术和电力电子技术的飞速发展，诸如通讯设备、计算机、电子镇流器和家用电器等使用开关电源的非线性负荷大量投入使用。它们通常采用的是桥式整流+电解电容滤波方式，其PF值约为0.55～0.65。有鉴于此，一种新型的主动性有源校正网络，即有源功率因数校正(APFC)技术得到人们的普遍重视。该技术是在负载的整流电路和滤波电容之间增加一个功率变换电路，将输入电流强制校正成与输入电压同相位的正弦波，使功率因数提高到近似为1.0，而且具有稳定的输出电压，从而消除谐波和无功功率并降低了其后接变换器的设计难度和成本。这种方法不仅校正效果好，而且效率高、体积小、重量轻、成本低、适应性强，已被国外大多厂商用于其实际产品中，国内也有很多有实力的厂商对其进行研究和应用。
    由于欧美国家对有关标准的强制执行，促使国际学术界对APFC技术进行积极探讨，并取得了很多令人瞩目的成果。特别是开发出适用于各种需要的众多型号的控制用专用集成电路，使APFC产品的开发摆脱了早期采用分立元件造成的开发周期长、线路复杂、可靠性低且效果并不尽如人意的弊端，使APFC产品迅速得以推广应用，取得了可观的社会效益和经济效益。 目前，在学术界和实际工程应用中，人们对具体的实现APFC的具体电路拓扑基本已经形成共识，即采用BOOST电路见图4。BOOST电路的核心器件是电感器，从性能上来说，根据不同频率选用Fe粉心、FeSiAl、FeNi50、FeNiMo、甚至新材料FeSi材料等金属磁粉心是最合适的，功率密度最高，不产生气隙EMI。具体APFC技术和电路信息见附件1。

图4   APFC电路