干货 | 分析一种简单的提高功率因数的电路——填谷电路

来源:电子工程世界发布时间:2022-09-241153浏览

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今天我们来分析在电源电路中比较常见的，一种提高功率因数的电路——填谷电路（Valley Fill Circuit）。
1）基础知识，什么是功率因数

我们知道，在交流电路中，电压是正弦波形式的。如果负载是一个纯电阻，那么电压和电流的相位是完全一样的，如下图所示：（图中的RL3是用作电流取样的，下同）

而如果负载是一个电容（或电感），那么电压和电流的相位就不同，如下图所示：

在交流电路中，电压与电流之间的相位差(Φ)的余弦叫做功率因数，用符号cosΦ表示。在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值：

功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大，从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。
我们可以简单理解一下，如果负载是纯电阻性的，那么电压和电流同相位，功率因数为1，电源提供的功率都消耗在负载上；如果负载是纯电抗性的，那么电压和电流相差90°，功率因数为0，那么有很多功率都消耗在线路上。
电路中只要存在电压和电流相位不同或波形不同，都会使得功率因数小于1。对于电路中有容性负载（或者感性负载）的电路，提高功率因数的方法是并电感（或者并电容），使得电容和电感性质抵消，但是对于一些电路中有非线性器件（如二极管）的电路，就需要依具体情况来设计了。我们接下来要讲的填谷电路，就是用于提高整流电路的功率因数的。
2）填谷电路的分析

首先我们来看一下最基本的整流电路。
如图，是一个基本的整流桥电路，交流电输入后，经过整流、输出端经电容滤波后，加到一个负载上。

图中示波器显示的绿色线是电流，可以发现，与输入电压（正弦波）波形完全不同，相位也相差较大。
由于电路中存在二极管（非线性器件）、电容，都会使得电压和电流相位不同；一方面，由于电容的充放电，只有输入电压高于电容电压V1时，才会有电流为后端的电容和负载供电；另一方面，电容的存在会使得电流相位超前于电压。因此该电路的功率因数较低。
填谷电路的基本形式如下图，整流后的电压，接到电路的+端和-端：

简单分析一下：在输入电压电压较高时，电流对电容充电，走的是如下路径：

输入电压较低时，电容对外放电，走的是如下路径

相当于电容是串联充电、并联放电。
假设两个电容电压之和为V1，那么只要整流后的电压高于V1的一半，二极管就会截止，由外部电源为负载供电。
对比基本的整流电路，需要整流后的电源高于V1，才会由外部电源供电。
这样的好处是，增加了一个周期内外部电源的供电时间；同时，也由于导通时间变长，只需要较小的峰值电流就满足一个周期内的功率要求。
填谷电路可以把电流的尖峰填平，因此而得名。
填谷电路的仿真图如下：可以看出，一个周期内的电流波形，时间更长、峰值更小，相比基本的整流电路，电流更接近于正弦形状，因此可以大大提高功率因数。

填谷电路一般在节能灯、LED灯、小功率开关电源电路中较常见到。使用填谷电路时，要注意，两个电容需要特性一致。

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