什么是電路拓撲結(jié)構(gòu)

　　由于拓撲約束與元件的特性無關(guān)，在研究拓撲約束時，我們可以將電路中的元件用線段代替，畫成一些由線段組成的圖，如圖1（a）中的電路圖畫成為圖1（b）的拓撲圖。

　　我們稱圖1（b）為圖（a）所示電路的“圖”，圖中的各線段稱為支路，線段的連接點稱為節(jié)點。因此，圖的確切定義是：一組節(jié)點與支路的集合，其中每一支路的兩端都終止在節(jié)點上。在上圖中，a，b，c，d，e，f，g，h為支路，1，2，3，4，5為節(jié)點。

　　在圖中構(gòu)成閉合一個閉合路徑所需的數(shù)量最少的支路的集合稱為回路，在回路中去掉一個支路則不能構(gòu)成閉合路徑。例如圖2（a）所示的支路集合（a，b，c，d），（d，e，h）和（g，h）均為回路。在一個圖中可以有許多回路。如果回路中不包圍其他支路，則稱這樣的回路為網(wǎng)孔。在圖2（b）中有4個網(wǎng)孔，它們是支路集合（a，b，c，d），（c，e，f），（d，e，g）和（g，h）。

　　如果在圖上標明各支路電流（或電壓）的參考方向（通常采用電壓和電流的一致參考方向來同時表示電壓和電流），這樣的圖則稱為有向圖，如圖3所示。

PFC電路介紹

PFC就是“功率因數(shù)校正”的意思，主要用來表征電子產(chǎn)品對電能的利用效率。功率因數(shù)越高，說明電能的利用效率越高。PFC有兩種，一種是無源PFC（也稱被動式PFC），一種是有源PFC（也稱主動式PFC）。無源PFC一般采用電感補償方法使交流輸入的基波電流與電壓之間相位差減小來提高功率因數(shù)，但無源PFC的功率因數(shù)不是很高，只能達到0.7~0.8；有源PFC由電感電容及電子元器件組成，體積小，可以達到很高的功率因數(shù)，但成本要高出無源PFC一些。

無源功率因數(shù)拓撲結(jié)構(gòu)

管什么樣拓撲結(jié)構(gòu)的無源功率因數(shù)校正電路，其能達到功率因數(shù)校正的目的，原理都是差不多的。簡單來說就是通過一些無源元件，如電感、電容等的儲能特性來延長整流部分二極管的導通時間，以此使流過負載的電流發(fā)生畸變的程度大大減小。一般來講，這種電路的結(jié)構(gòu)都比較簡單，易于實現(xiàn)，而最后得到的功率因數(shù)值也與這些元件有很密切的聯(lián)系。

由于二極管整流存在的諸多問題，一般采用的無源功率因數(shù)校正電路有：采用濾波電感的無源功率因數(shù)校正、采用填谷方式的無源功率因數(shù)校正、采用串聯(lián)諧振的無源功率因數(shù)校正、采用直流反饋式的無源功率因數(shù)校正、采用高頻反饋式的無源功率因數(shù)校正。下面僅對用得最為廣泛的前三種無源功率因數(shù)校正拓撲結(jié)構(gòu)進行分析。

1.采用濾波電感的無源功率因數(shù)校正拓撲

采用濾波電感的無源功率因數(shù)校正電路的主拓撲結(jié)構(gòu)是在整流器和濾波電容之間串聯(lián)一個濾波電容。其主電路圖如圖2-1。

圖2-1中，由于當有變化的電流流過濾波電感時，會產(chǎn)生一個反電動勢，其方向阻止電流發(fā)生變化，因而使充電電流的峰值比未加電感前要低，也由于它產(chǎn)生反向感應(yīng)電動勢的這一特性，使得在輸入電壓達到峰值后，之前導通的二極管兩端的電勢差仍能保持它的導通狀態(tài)，因而增大了輸入電流的導通角。

然而，在現(xiàn)實生活中，通常會將濾波電感置于整流之前，這樣做有一個好處，就是交流電源內(nèi)沒有經(jīng)過整流而得到的直流分量，這樣的電流流過電感，不會使電感的鐵芯因達到飽和而影響使用。其改進的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2-2。

采用該方式，在滿載時的功率因數(shù)一般可達到0.9以上。該方式線路簡單，平均無故障時間長，無需對設(shè)計控制電路，能很大程度抑制3次以上的奇次諧波，且產(chǎn)生的電磁干擾基本上比較小，僅在電路中串聯(lián)一個濾波電感，因而成本比較低。但由于元器件的性質(zhì)，這種拓撲用于小功率的場合還比較廣泛。

采用這種方式的無源功率因數(shù)校正法，由于電感元件在能量的傳遞中起載體的作用，因此電感器元件的選型是一個關(guān)鍵，其參數(shù)的大小直接影響著功率因數(shù)校正的效果。為了將畸變的電流轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)電流（即在每半個周期波形中，整流二極管導通角度要達到180°），濾波電感應(yīng)達到一個門檻值。其大小與整流濾波電路的等效負載電阻之間的關(guān)系為

式2-1中，LC是濾波電感門檻值，單位為H；RL是等效負載電阻，單位為Ω；ω是電壓輸入角頻率，ω=2πf，在國內(nèi)系統(tǒng)里，ω=314。

從上述關(guān)系不難看出，選擇的電感與等效負載電阻之間基本上有1Ω配1mH電感的關(guān)系。上述關(guān)系能得出，采用電感作為無源功率因數(shù)校正的手段時，等效直流負載最好是恒定的負載，否則無法保證線路中的電流連續(xù)性，也就無法保證功率因數(shù)校正的有效性。此外，還要注意滿載時，電感器絕對不會進入飽和狀態(tài)，否則電感量的減小將無法保證線路中的電流連續(xù)性。

但這種無源功率因數(shù)校正電路在應(yīng)用中容易發(fā)熱，也會產(chǎn)生頻率比較低的噪聲，器件占用面積大，器件本身也較重。而且由于很多電源在工作時并不是在額定功率下工作，即無源功率因數(shù)校正電路不是處于滿載運行狀態(tài)，使得實際得到的功率因數(shù)值比滿載時還要略低些。

2.采用填谷方式的無源功率因數(shù)校正拓撲

近年來，無源功率因數(shù)校正技術(shù)也有所發(fā)展，采用填谷方式的無源功率因數(shù)校正法就是其中的一種，利用由電容和二極管網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的有功率因數(shù)校正作用的整流電路。其基本結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。

當輸入電壓UIN高于C1和C2上的電壓之和時，兩個電容處于串聯(lián)充電狀態(tài)，并且UIN=UC1+UC2=UL，這一情況一直持續(xù)到輸入電壓的峰值。當UIN越過峰值以后，對普通橋式整流的單個電容濾波電路來說，整流橋的二極管將由于濾波電容上的電壓高于輸入電壓的峰值而反向偏置，幫整流橋截止。但對填谷方式的無源功率因數(shù)校正電路來說，電容C1和C2的充電已經(jīng)結(jié)束。但是無論C1還是C2，其單個電容上的電壓比不上外加充電電壓，因此這兩個電容的放電不能進行（這時與C1和C2串聯(lián)的二極管VD1和VD3被反向偏置），使得UL上的電壓基本上還是跟蹤輸入電壓在變化，直到輸入電壓等于其峰值電壓的一半時，VD1和VD3向負載放電。在此之間，整流橋一直導通，一直有電流通過。等到輸入電壓等于其峰值電壓的一半時，VD1和VD3由于正向偏置而導通，電容C1和C2用并聯(lián)方式開始以指數(shù)規(guī)律通過VD1和VD3向負載放電。在此之后，由于輸入電壓低于C1和C2上的電壓，整流橋始終保持截止，電源電流將出現(xiàn)死區(qū)。當輸入電壓越過正半周、進入負半周時，在開始的一段時間里，輸入電壓仍然低于UC1和UC2上的電壓，所以整流橋依然反向偏置，不能導電。只有當輸入電壓高于UC1和UC2時，整流橋才能重新恢復導通，電源電流再一次對C1、VD2和C2充電，UC1+UC2的電壓重新跟蹤輸入電壓，按正弦規(guī)律上升，于是重復前面描述的情況。如此周而復始，循環(huán)不已。

表2-1是填谷方式的無源功率因數(shù)校正電路與普通橋式整流、電容濾波電路的參數(shù)測試結(jié)果對比。

由表2-1中得到填谷方式的無源功率因數(shù)校正電路的電流總諧波含量為28%，線路功率因數(shù)為0.894，而普通橋式整流、電容濾波電路的電流總諧波含量為117.5%，線路功率因數(shù)為0.592。

從表2-1可見，填谷方式的無源功率因數(shù)校正電路與普通橋式整流電路相比，3次諧波分量由77.1%降至10.8%；總電流諧波含量由117.5%降至28%；線路功率因數(shù)由0.592提高到0.954。

填谷方式的無源功率因數(shù)校正電路已應(yīng)用于電子鎮(zhèn)流器等小型電氣設(shè)備［9］。這種方式雖能獲得較高的輸入功率因數(shù)，但是還不能非常有效地抑制輸入電流中的諧波含量，所以應(yīng)用中還是受到了限制。

用示波器觀察圖2-3所示電路的電壓和電流波形可以發(fā)現(xiàn)，填谷方式的無源功率因數(shù)校正電路輸入端電源電流波形的幅值明顯降低，死區(qū)時間大大縮短，整流橋的導通角度達到120°以上，波形趨于連續(xù)，包絡(luò)趨于正弦波形。但從直流輸出電壓UL的質(zhì)量看，填谷方式的無源功率因數(shù)校正電路的輸出電壓紋波較大，脈動系數(shù)大，直流電壓的測值約為230V，比較接近于交流輸入電源電壓的有效值，比普通橋式整流的電容濾波電路的直流輸出電壓低15%。在圖2-3中，如果用一個電阻或電感與二極管VD2串聯(lián)時，可進一步改善輸入電流的波形。

填谷式無源功率因數(shù)校正電路是一種典型的逐流電路，它在90年代的照明電路中應(yīng)用廣泛，其功率因數(shù)校正值相比直接采用濾波電感的電路所能達到的值更高一些，而且也沒有了電感元件，因而沒有了對電感的高要求。但這種電路的供給開關(guān)管的直流電壓波峰比很高，電流波峰比也很高，這種電路由于電路輸出電壓谷值只有電解濾波電路谷值的一半，因而不適合做降壓電源。