開關(guān)電源PFC及其工作原理(圖文)

什么是功率因數(shù)補(bǔ)償，什么是功率因數(shù)校正：

功率因數(shù)補(bǔ)償：在上世紀(jì)五十年代，已經(jīng)針對具有感性負(fù)載的交流用電器具的電壓和電流不同相(圖1)從而引起的供電效率低下提出了改進(jìn)方法(由于感性負(fù)載的電流滯后所加電壓，由于電壓和電流的相位不同使供電線路的負(fù)擔(dān)加重導(dǎo)致供電線路效率下降，這就要求在感性用電器具上并聯(lián)一個電容器用以調(diào)整其該用電器具的電壓、電流相位特性，例如：當(dāng)時要求所使用的40W日光燈必須并聯(lián)一個4.75μF的電容器)。用電容器并連在感性負(fù)載，利用其電容上電流超前電壓的特性用以補(bǔ)償電感上電流滯后電壓的特性來使總的特性接近于阻性，從而改善效率低下的方法叫功率因數(shù)補(bǔ)償(交流電的功率因數(shù)可以用電源電壓與負(fù)載電流兩者相位角的余弦函數(shù)值cosφ表示)。

圖1

在具有感性負(fù)載中供電線路中電壓和電流的波形

而在上世紀(jì)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(fù)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(yuǎn)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(dāng)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(yán)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(yán)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(fù)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(yán)重的是它在供電線路容量不足，或電路負(fù)載較大時會產(chǎn)生嚴(yán)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

自從用電器具從過去的感性負(fù)載(早期的電視機(jī)、收音機(jī)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(fù)載后，其功率因素補(bǔ)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(yán)重的是要解決因供電電流呈強(qiáng)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(jì)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(fù)載導(dǎo)致電流波形嚴(yán)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(bǔ)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

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(fù)載用電器具，必須增加校正其負(fù)載特性的校正電路，使其負(fù)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(fù)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

圖4A中D是整流管，R是負(fù)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(dá)到最大值電流也達(dá)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(dá)到最大值電流也達(dá)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(fù)載特性。

A B

圖5

圖5A中D是整流管，R是負(fù)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(dá)到最大值電流也達(dá)到最大值，因為此時對負(fù)載R供電的同時還要對電容C 進(jìn)行充電，所以電流的幅度比較大。在t1時間由于對電容C進(jìn)行充電，電容上電壓Uc達(dá)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(fù)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(fù)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(jìn)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(qiáng)脈沖狀態(tài)，極管導(dǎo)通角小于1800(根據(jù)負(fù)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(qiáng)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(qiáng)脈沖的高次諧波對其它的用電器具產(chǎn)生較強(qiáng)的干擾。

怎樣進(jìn)行功率因素校正：

功率因素校正(PFC)

我們目前用的電視機(jī)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

A B

圖6

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(fù)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(jī)的改進(jìn)

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(jī)生產(chǎn)廠對過去設(shè)計的功率較大的電視機(jī)，在整流橋堆和濾波電容之間加一只電感(適當(dāng)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(qiáng)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(bǔ)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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此電路雖然簡單，可以在前期設(shè)計的無PFC功能的設(shè)備上，簡單的增加一個合適的電感(適當(dāng)?shù)倪x取L和C的值)，從而達(dá)到具有PFC的作用，但是這種簡單的、低成本的無源PFC輸出紋波較大，濾波電容兩端的直流電壓也較低，電流畸變的校正及功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)哪芰Χ己懿睿襆的繞制及鐵芯的質(zhì)量控制不好，會對圖像及伴音產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾，只能是對于前期無PFC設(shè)備使之能進(jìn)入市場的臨時措施。

有源PFC電路的原理

有源PFC則是有很好的效果，基本上可以完全的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，它可以基本上完全解決了功率因數(shù)、電磁兼容、電磁干擾的問題，但是電路非常的復(fù)雜，其基本思路是在220V整流橋堆后去掉濾波電容(以消除因電容的充電造成的電流波形畸變及相位的變化)，去掉濾波電容后由一個“斬波”電路把脈動的直流變成高頻(約100K)交流再經(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。

有源PFC的基本原理是在開關(guān)電源的整流電路和濾波電容之間增加一個DC-DC的斬波電路圖8(附加開關(guān)電源)，對于供電線路來說該整流電路輸出沒有直接接濾波電容，所以其對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開關(guān)電源。所以說有源PFC開關(guān)電源就是一個雙開關(guān)電源的開關(guān)電源電路，它是由斬波器(我們以后稱它為：“PFC開關(guān)電源”)和穩(wěn)壓開關(guān)電源(我們以后稱它為：“PWM開關(guān)電源”)組成的。

圖8

斬波器部分(PFC開關(guān)電源)

整流二極管整流以后不加濾波電容器，把未經(jīng)濾波的脈動正半周電壓作為斬波器的供電源，由于斬波器的一連串的做“開關(guān)”工作脈動的正電壓被“斬”成圖9的電流波形，其波形的特點(diǎn)是：1、電流波形是斷續(xù)的，其包絡(luò)線和電壓波形相同，并且包絡(luò)線和電壓波形相位同相。2、由于斬波的作用，半波脈動的直流電變成高頻(由斬波頻率決定，約100KHz)“交流”電，該高頻“交流”電要再次經(jīng)過整流才能被后級PWM開關(guān)穩(wěn)壓電源使用。3、從外供電總的看該用電系統(tǒng)做到了交流電壓和交流電流同相并且電壓波形和電流波形均符合正弦波形，既解決了功率因素補(bǔ)償問題，也解決電磁兼容(EMC)和電磁干擾(EMI)問題。

該高頻“交流”電在經(jīng)過整流二極管整流并經(jīng)過濾波變成直流電壓(電源)向后級的PWM開關(guān)電源供電。該直流電壓在某些資料上把它稱為：B+PFC(TPW-4211即是如此)，在斬波器輸出的B+PFC電壓一般高于原220交流整流濾波后的+300V，其原因是選用高電壓，其電感的線徑小、線路壓降小、濾波電容容量小，且濾波效果好，對后級PWM開關(guān)管要求低等等諸多好處。

黑為電壓波形 紅色虛線為電流包絡(luò)波形

圖9

目前PFC開關(guān)電源部分，起到開關(guān)作用的斬波管(K)有兩種工作方式：

1、 連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)：開關(guān)管的工作頻率一定，而導(dǎo)通的占空比(系數(shù))隨被斬波電壓的幅度變化而變化,如圖10，

圖中T1 和 T2 的位置是：T1在被斬波電壓(半個周期)的低電壓區(qū)，T2在被斬波電壓高電壓區(qū)，T1(時間)=T2(時間)從圖中可以看到所有的開關(guān)周期時間都相等，這說明在被斬波電壓的任何幅度時，斬波管的工作頻率不變，從圖10中可以看出;在高電壓區(qū)和低電壓區(qū)每個斬波周期內(nèi)的占空比不同(T1和T2的時間相同，而上升脈沖的寬度不同)，被斬波電壓為零時(無電壓)，斬波頻率仍然不變，所以稱為連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)該種模式一般應(yīng)用在250W～2000W的設(shè)備上。

圖10

2、 不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)：斬波開關(guān)管的工作頻率隨被斬波電壓的大小變化(每一個開關(guān)周期內(nèi)“開”“關(guān)”時間相等。如圖11：T1和T2時間不同，也反映隨著電壓幅度的變化其斬波頻率也相應(yīng)變化。被斬波電壓為“零”開關(guān)停止(振蕩停止)，所以稱為不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)，即有輸入電壓斬波管工作，無輸入電壓斬波管不工作。他一般應(yīng)用在250W以下的小功率設(shè)備上，例如海信TLM-3277液晶電視接收機(jī)開關(guān)電源的PFC部分即工作在DCM模式。

圖11

(3)臨界導(dǎo)通模式(CRM)或過渡模式(TCM)：

工作介于CCM和DCM之間，工作更接近DCM模式。在上一個導(dǎo)通周期結(jié)束后，下一個導(dǎo)通周期之前，電感電流將衰減為零，而且頻率隨著線路電壓和負(fù)載的變化而變化。

優(yōu)點(diǎn)：廉價芯片、便于設(shè)計，沒有開關(guān)的導(dǎo)通損耗，升壓二極管的選擇并非決定性的;

缺點(diǎn)：由于頻率變化，存在潛在的EMI問題，需要一個設(shè)計精確的輸入濾波器。

開關(guān)穩(wěn)壓電源部分(PWM開關(guān)電源)

該開關(guān)穩(wěn)壓電源(PWM)，是整個具有PFC功能開關(guān)電源的一部分，其工作原理及穩(wěn)壓性能和普通的電視機(jī)開關(guān)穩(wěn)壓電源一樣，所不同的是普通開關(guān)穩(wěn)壓電源供電是由交流220V整流供電，而此開關(guān)電源供電是由B+PFC供電(B+PFC是選取+380V)。

目前應(yīng)用的具有功率因素校正開關(guān)電源中的PFC開關(guān)電源部分和PWM開關(guān)電源部分的激勵部分均由一塊集成電路完成，即PFC/PWM組合IC(如TPW-4211等離子電視的ML4824及TLM-3277液晶電視的 SMA-E1017等)，其基本框圖如圖12 (TPW4211離子電視V2屏開關(guān)電源PFC基本框圖)和圖13(海信TLM-3277 液晶電視開關(guān)電源PFC/PWM基本框圖)。

圖12 海信TPW-4211(V2屏)等離子電視開關(guān)電源PFC部分基本框圖

圖13 海信 TLM3277 液晶電視