開關(guān)電源pfc的工作原理介紹

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。

PC電源采用傳統(tǒng)的橋式整流、電容濾波電路會使AC輸入電流產(chǎn)生嚴重的波形畸變，向電網(wǎng)注入大量的高次諧波，因此網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)不高，僅有0.6左右，并對電網(wǎng)和其它電氣設(shè)備造成嚴重諧波污染與干擾。早在80年代初，人們已對這類裝置產(chǎn)生的高次諧波電流所造成的危害引起了關(guān)注。1982年，國際電工委員會制訂了IEC55-2限制高次諧波的規(guī)范(后來的修訂規(guī)范是IEC1000-3-2)，促使眾多的電力電子技術(shù)工作者開始了對諧波濾波和功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)的研究。電子電源產(chǎn)品中引入PFC電路，就可以大大提高對電能的利用效率。

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。

有源PFC電路中往往采用高集成度的IC，采用有源PFC電路的PC電源，至少具有以下特點：

1)輸入電壓可以從90V到270V;

2)高于0.99的線路功率因數(shù)，并具有低損耗和高可靠等優(yōu)點;

3)IC的PFC還可用作輔助電源，因此在使用有源PFC電路中，往往不需要待機變壓器;

4)輸出不隨輸入電壓波動變化，因此可獲得高度穩(wěn)定的輸出電壓;

5)有源PFC輸出DC電壓紋波很小，且呈100Hz/120Hz(工頻2倍)的正弦波，因此采用有源PFC的電源不需要采用很大容量的濾波電容。

PFC的英文全稱為“PowerFactorCorrection”，意思是“功率因數(shù)校正”，功率因數(shù)指的是有效功率與總耗電量(視在功率)之間的關(guān)系，也就是有效功率除以總耗電量(視在功率)的比值。基本上功率因素可以衡量電力被有效利用的程度，當功率因素值越大，代表其電力利用率越高。帶PFC的開關(guān)電源成本也相對高一些。

開關(guān)電源是一種電容輸入型電路，其電流和電壓之間的相位差會造成交換功率的損失，此時便需要PFC電路提高功率因數(shù)。目前的PFC有兩種，被動式PFC(也稱無源PFC)和主動式PFC(也稱有源式PFC)。

被動式PFC一般分“電感補償式”和“填谷電路式(ValleyFillCircuit)”，“電感補償方法”是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)，被動式PFC包括靜音式被動PFC和非靜音式被動PFC。被動式PFC的功率因數(shù)只能達到0.7～0.8，它一般在高壓濾波電容附近。

在上世紀80年代起，用電器具大量的采用效率高的開關(guān)電源，由于開關(guān)電源都是在整流后用一個大容量的濾波電容，使該用電器具的負載特性呈現(xiàn)容性，這就造成了交流220V在對該用電器具供電時，由于濾波電容的充、放電作用，在其兩端的直流電壓出現(xiàn)略呈鋸齒波的紋波。濾波電容上電壓的最小值遠非為零，與其最大值(紋波峰值)相差并不多。根據(jù)整流二極管的單向?qū)щ娦?，只有在AC線路電壓瞬時值高于濾波電容上的電壓時，整流二極管才會因正向偏置而導(dǎo)通，而當AC輸入電壓瞬時值低于濾波電容上的電壓時，整流二極管因反向偏置而截止。也就是說，在AC線路電壓的每個半周期內(nèi)，只是在其峰值附近，二極管才會導(dǎo)通。雖然AC輸入電壓仍大體保持正弦波波形，但AC輸入電流卻呈高幅值的尖峰脈沖，如圖2所示。這種嚴重失真的電流波形含有大量的諧波成份，引起線路功率因數(shù)嚴重下降。

在正半個周期內(nèi)(1800)，整流二極管的導(dǎo)通角大大的小于1800甚至只有300-700，由于要保證負載功率的要求，在極窄的導(dǎo)通角期間會產(chǎn)生極大的導(dǎo)通電流，使供電電路中的供電電流呈脈沖狀態(tài)，它不僅降低了供電的效率，更為嚴重的是它在供電線路容量不足，或電路負載較大時會產(chǎn)生嚴重的交流電壓的波形畸變(圖3)，并產(chǎn)生多次諧波，從而，干擾了其它用電器具的正常工作(這就是電磁干擾-EMI和電磁兼容-EMC問題)。

圖2：

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自從用電器具從過去的感性負載(早期的電視機、收音機等的電源均采用電源變壓器的感性器件)變成帶整流及濾波電容器的容性負載后，其功率因素補償?shù)暮x不僅是供電的電壓和電流不同相位的問題，更為嚴重的是要解決因供電電流呈強脈沖狀態(tài)而引起的電磁干擾(EMI)和電磁兼容(EMC)問題。

這就是在上世紀末發(fā)展起來的一項新技術(shù)(其背景源于開關(guān)電源的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用)。其主要目的是解決因容性負載導(dǎo)致電流波形嚴重畸變而產(chǎn)生的電磁干擾(EMl)和電磁兼容(EMC)問題。所以現(xiàn)代的PFC技術(shù)完全不同于過去的功率因數(shù)補償技術(shù)，它是針對非正弦電流波形畸變而采取的，迫使交流線路電流追蹤電壓波形瞬時變化軌跡，并使電流和電壓保持同相位，使系統(tǒng)呈純電阻性技術(shù)(線路電流波形校正技術(shù))，這就是PFC(功率因數(shù)校正)。

所以現(xiàn)代的PFC技術(shù)完成了電流波形的校正也解決了電壓、電流的同相問題。

圖3

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于以上原因，要求用電功率大于85W以上(有的資料顯示大于75W)的容性負載用電器具，必須增加校正其負載特性的校正電路，使其負載特性接近于阻性(電壓和電流波形同相且波形相近)。這就是現(xiàn)代的功率因數(shù)校正(PFC)電路。

容性負載的危害

下面的圖4是不用濾波電容的半波整流電路，圖5是用了大容量濾波電容的半波整流電路。我們根據(jù)這兩個電路來分析兩電路中電流的波形。

圖4

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圖4A中D是整流管，R是負載。圖4B是該電路接入交流電時電路中電壓、電流波形圖，

在(00～1800)t0~t3時間：t1時間電壓為零電流為零，在t1時間電壓達到最大值電流也達到最大值，在t3時間電壓為零電流為零。(二極管導(dǎo)通1800)

在(1800～3600)t3~t4：時間：二極管反偏無電壓及電流。(二極管截止)

在(3600～5400)t4～t6時間：t4時間電壓為零電流為零，在t5時間電壓達到最大值電流也達到最大值，在t6時間電壓為零電流為零。(二極管導(dǎo)通1800)

結(jié)論：在無濾波電容的整流電路中，供電電路的電壓和電流同相，二極管導(dǎo)通角為1800，對于供電線路來說，該電路呈現(xiàn)純阻性的負載特性。

圖5

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圖5A中D是整流管，R是負載，C是濾波電容。圖5B是該電路接入交流電時電路中電壓、電流波形圖。

在(00～1800)t0～t3時間：t1時間電壓為零電流為零，在t1時間電壓達到最大值電流也達到最大值，因為此時對負載R供電的同時還要對電容C進行充電，所以電流的幅度比較大。在t1時間由于對電容C進行充電，電容上電壓Uc達到輸入交流電的峰值，由于電容上電壓不能突變，使在t1~t3期間，二極管右邊電壓為Uc，而左邊電壓在t2時間電壓由峰值逐漸下降為零，t1~t3期間二極管反偏截止，此期間電流為零。(增加濾波電容C后第一個交流電的正半周，二極管的導(dǎo)通角為900)

在(1800～3600)t3～t4時間：二極管反偏無電壓及電流。(二極管截止)

在(3600～4100)t4～t5時間：由于在t3~t4時間二極管反偏，不對C充電，C上電壓通過負載放電，電壓逐漸下降(下降的幅度由C的容量及R的阻值大小決定，如果C的容量足夠大，而且R的阻值也足夠大，其Uc下降很緩慢。)在t4~t5期間盡管二極管左邊電壓在逐步上升，但是由于二極管右邊的Uc放電緩慢右邊的電壓Uc仍舊大于左邊，二極管仍舊反偏截止。

在(4100～5400)t5～t7時間：t5時間二極管左邊電壓上升到超過右邊電壓二極管導(dǎo)通對負載供電并對C充電，其流過二極管的電流較大，到了t6時間二極管左邊電壓又逐步下降，由于Uc又充電到最大值，二極管在t6~t7時間又進入反偏截止。

結(jié)論：在有濾波電容的整流電路中，供電電路的電壓和電流波形完全不同，電流波形;在短時間內(nèi)呈強脈沖狀態(tài)，極管導(dǎo)通角小于1800(根據(jù)負載R和濾波電容C的時間常數(shù)而決定)。該電路對于供電線路來說，由于在強電流脈沖的極短期間線路上會產(chǎn)生較大的壓降(對于內(nèi)阻較大的供電線路尤為顯著)使供電線路的電壓波形產(chǎn)生畸變，強脈沖的高次諧波對其它的用電器具產(chǎn)生較強的干擾。

怎樣進行功率因素校正

我們目前用的電視機由于采用了高效的開關(guān)電源，而開關(guān)電源內(nèi)部電源輸入部分，無一例外的采用了二極管全波整流及濾波電路，如圖6A，其電壓和電流波形如圖6B

圖6

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為了抑止電流波形的畸變及提高功率因數(shù)，現(xiàn)代的功率較大(大于85W)具有開關(guān)電源(容性負載)的用電器具，必須采用PFC措施，PFC有;有源PFC和無源PFC兩種方式。

目前部分CRT廠家對部分電視機的改進

不使用晶體管等有源器件組成的校正電路。一般由二極管、電阻、電容和電感等無源器件組成，向目前國內(nèi)的電視機生產(chǎn)廠對過去設(shè)計的功率較大的電視機，在整流橋堆和濾波電容之間加一只電感(適當選取電感量)，利用電感上電流不能突變的特性來平滑電容充電強脈沖的波動，改善供電線路電流波形的畸變，并且在電感上電壓超前電流的特性也補償濾波電容電流超前電壓的特性，使功率因數(shù)、電磁兼容和電磁干擾得以改善，如圖7。

圖7

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