DCM Boost PFC变换器直流母线容ESR和C的监测研究(2)
意识到问题并对问题有全面正确的认知是解决问题的基础，所以我们必须首先明确什么是功率因数、什么是谐波。线性电路的功率因数(Power Factor，PF)用 表示， 是正弦交流电压和电流的相位差。开关电源中定义功率因数为有功功率和视在功率的比值，如下式所示：
其中， P为输入有功功率
S为视在功率
UR为电网电压有效值
IR为输入电流有效值
U1为输入电压基波有效值
I1位输入电流基波有效值
为输入电流基波与输入电压的相位差
谐波的概念从不同层面阐述，略有差别。从狭义层面上讲，电流包含两部分，一是基波电流分量，二是频率为基波电流分量整数倍的分量。运用傅里叶级数分解的方法，可以将按周期性正弦规律变化的电流分解成前述两种分量，第二种就是通常所说的谐波。从广义层面来讲，我国规定的交流电为50Hz，那么电流中所有不同于50Hz的都称做谐波，此时“谐波”一词已被扩大解释。在电力领域，由于开关电源、变频电机、整流器等非线性负载的存在，导致周期性正弦交流电畸变，不再与电压同相位，此时谐波就产生了。谐波会进入电网并对电网中其他用电设备产生影响，而且谐波会使功率因数降低，导致电能利用率低，严重的还会危害滤波电容。
为了保证电网安全性、电能质量以及不对其他设备、仪表、装置造成干扰和损坏，我国相继发布了GB/T 12325-2008 《电能质量 供电电压偏差》、GB/T 12326-2008 《电能质量 电压波动和闪变》、GB/T 14549-1993 《电能质量 公用电网谐波》等几项标准，对各种用电设备制订了对应的谐波标准。[1]
为了使电气设备与仪器引起的谐波污染和功率因数降低等问题得到妥善处理解决，同时满足上述标准，功率因数校正(Power Factor Correction，PFC)技术应运而生。最早的功率因数校正技术使用电容器进行补偿，这种技术要求电感、电容值大，因而所需设备占地广，经济成本高，另一方面不能有效抑制电流谐波。[2]经过多年研究，PFC技术得到了很大改善和提高。
1.2 PFC变换器
目前采用的功率因数校正方法主要有两种,即无源功率因数校正(Passive Power Factor Correction，PPFC)和有源功率因数校正(Active Power Factor Correction，APFC)。
1.2.1 无源PFC变换器
无源功率因数校正(PPFC)技术关键在于构建无源网络，使用电感、电容、功率二极管等无源器件，使电路输入端电流波形接近正弦波，从而降低电流中的非基波分量，提高功率因数。如图1.1所示。PPFC技术的主要优点是：电路结构简洁明了、系统可靠程度高、无需进行控制。主要不足之处为：滤波电感和滤波电容的值较大，因而占地大，制作成本高，而且不能将功率因数提高到理想状态(通常仅能校正至0.8左右)，且无源校正以后，电流谐波含量大约下降到50%，效果不理想，而且无法满足目前制定的谐波规范。从图1.1中可以看出，电容 两端的电压即为DC/DC变换器的输入电压，如果输入交流电压和负载变化，它会随之产生变化，从而影响变换器工作，谐波抑制也会受到影响，降低了整个系统的性能。所以PPFC技术多考虑小功率应用场合，而且对体积及成本有限制。
图1.1 无源PFC变换器
1.2.2 有源PFC变换器
有源功率因数校正(AFPC)技术是在原有的二极管整流之后接直流斩波电路。其工作原理是：将输出电压与基准电压进行比较，并将比较的结果送入误差放大器中，随后放大器将结果和整流后的电压一并送入乘法器输入端。该乘法器是参考电流反馈控制器输出的信号，并与检测到的输入电流相比较，输出控制PWM比较器，而后实现开关管的通断控制，使输入电流波形接近正弦波，且相位与输入电压相同，进而实现功率因数校正。 APFC技术根据输入电压的不同，可以分成单相APFC和三相APFC两类；根据控制模式的不同，可以分成电流连续模式(Continuous Current Mod，CCM)、电流断续模式(Discontinuous Current Mod，DCM)、电流临界模式(Critical Conduction Mod，BCM)。从电路结构来分，可以分成单级APFC电路和两级APFC电路。[3]