PFC 電路之有源VS無源

PFC電路在實(shí)際應(yīng)用過程中，通常會(huì)分為有源PFC和無源兩種，其應(yīng)用效果和操作模式也有所差別。今天就讓我們來看一下這兩種PFC電路的工作原理和設(shè)計(jì)思路吧。

一、有源PFC電路

作為功率因數(shù)校正的一種有效方案，有源PFC電路相比較無源PFC來說，在功率因數(shù)校正方面有很好的效果，不僅可以完全消除電流波形的畸變，而且電壓和電流的相位可以控制保持一致。有源PFC在運(yùn)行時(shí)基本上解決了功率因數(shù)、電磁兼容、電磁干擾的問題，但其主要缺點(diǎn)是電路非常的復(fù)雜。

在進(jìn)行有源PFC電路的設(shè)計(jì)時(shí)，一個(gè)基本的設(shè)計(jì)思路是在220V整流橋堆后去掉濾波電容，這樣做主要是為了消除因電容充電造成的電流波形畸變及相位變化。然后由一個(gè)斬波電路，把脈動(dòng)的直流變成高頻交流經(jīng)過整流濾波后，其直流電壓再向常規(guī)的PWM開關(guān)穩(wěn)壓電源供電，其過程是AC→DC→AC→DC。其具體的設(shè)置過程如下圖所示：

有源PFC電路的基本工作原理大致如下：這種有源功率因數(shù)校正電路之所以能夠能夠?qū)崿F(xiàn)濾波功能，其主要的工作原理是在開關(guān)電源的整流電路和濾波電容之間增加一個(gè)DC-DC的斬波電路，在運(yùn)行過程中，斬波電路等于附加一個(gè)開關(guān)電源。有源PFC電路對(duì)于供電線路來說，整流電路輸出沒有直接接濾波電容，所以其對(duì)于供電線路來說呈現(xiàn)的是純阻性的負(fù)載，其電壓和電流波形同相、相位相同。斬波電路的工作也類似于一個(gè)開關(guān)電源，所以說有源PFC開關(guān)電源就是一個(gè)雙開關(guān)電源的開關(guān)電源電路，它是由斬波器和穩(wěn)壓開關(guān)電源組成的。

一、無源PFC電路

無源PFC電路在實(shí)際應(yīng)用的過程中，由于其成本相對(duì)較低，因此曾經(jīng)一度得到了廣泛的應(yīng)用。不過，這種PFC電路設(shè)計(jì)方式目前已經(jīng)逐漸開始被有源PFC電路所代替。盡管如此，作為一種比較基礎(chǔ)的PFC方式，剛剛開始接觸電路設(shè)計(jì)工作的新人工程師們還是有必要了解一下無源PFC電路工作原理知識(shí)的。所謂無源PFC電路，顧名思義，就是在其電路設(shè)計(jì)的過程中并不使用晶體管等有源電子元器件，換句話說，這種PFC電路是由二極管、電阻、電容和電感等無源元件組成。無源PFC電路有很多類型，其中比較簡(jiǎn)單的無源PFC電路由三只二極管和兩只電容組成，這種比較基礎(chǔ)的電路設(shè)計(jì)圖如下圖圖1所示。

接下來我們就以圖1中所展示的無源PFC電路設(shè)計(jì)圖為例，來為大家介紹一下這種PFC電路工作運(yùn)行原理情況。從圖1中可以看到，當(dāng)50Hz的AC線路電壓按正弦規(guī)律，由0向峰值Vm變化的1/4周期內(nèi)，該系統(tǒng)的橋式整流器中，二極管VD2和VD3導(dǎo)通，與之相對(duì)應(yīng)的是二極管VD1和VD4截止，此時(shí)電流對(duì)電容C1并經(jīng)二極管VD6對(duì)C2充電。當(dāng)VAC，瞬時(shí)值達(dá)到Vm，因C1=C2，故電容C1、C2上的電壓相同，均為二分之一Vm，當(dāng)AC線路電壓從峰值開始下降時(shí)，電容C1通過負(fù)載和二極管VD5迅速放電，并且下降速率比AC電壓按正弦規(guī)律下降快得多，因此直到AC電壓瞬時(shí)值達(dá)到1/2Vm之前，二極管VD2和VD3一直導(dǎo)通。當(dāng)瞬時(shí)AC電壓幅值小于1/2Vm時(shí)，電容C2通過VD7和負(fù)載放電。當(dāng)AC輸入電壓瞬時(shí)值低于電路的DC總線電壓時(shí)，二極管VD2和VD3截止，此時(shí)AC電流不能通過整流二極管，于是IAC出現(xiàn)死區(qū)。在AC電壓的負(fù)半周開始后的一段時(shí)間內(nèi)，VD1和VD4不會(huì)馬上導(dǎo)通。只有在AC瞬時(shí)電壓高于橋式整流輸出端的DC電壓時(shí)，VD1和VD4才能因正向偏置而導(dǎo)通。一旦二極管VD1和VD4導(dǎo)通，電容C1和C2再次被充電，于是出現(xiàn)與正半周類似的情況，此時(shí)我們可以得到圖2所示的AC線路輸入電壓VAC和電流IAC波形。 從下圖圖2所提供的輸入電壓和電流波形圖中我們可以看出，采用無源PFC電路取代單只電容濾波，整流二極管導(dǎo)通角明顯增大，且這一二極管導(dǎo)通角度明顯大于120°，而AC輸入電流波形則會(huì)變得平滑一些。在選擇C1=C2=10μF/400V的情況下，線路功率因數(shù)可達(dá)0.92~0.94，三次電流諧波僅約12%，五次諧波約18%，總諧波失真THD約28~30%。

在對(duì)無源PFC電路工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析后我們可以看到，盡管這種低成本的PFC電路具有一定的優(yōu)勢(shì)，但是其顯著缺點(diǎn)就是DC輸出電壓紋波較大，數(shù)值偏低，而且這種PFC的電流諧波成份不能完全達(dá)到低畸變要求，同時(shí)還會(huì)相應(yīng)的增大電路設(shè)計(jì)的難度。這也就是為什么近年來有源PFC設(shè)計(jì)越發(fā)占據(jù)優(yōu)勢(shì)的重要原因所在。