一文搞懂PFC（功率因數校正）

一文搞懂PFC（功率因數校正）

什么是功率因數補償？什么是功率因數校正？

功率因數補償：在上世紀五十年代，以前針對具有敏感負載的交換用電器具的電壓和電流不同相（圖1）從而惹起的供電聽從低下提出了改良辦法（由于敏感負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包袱增重招致供電線路聽從下降，這就要求在敏感用電器具上并聯一個電容器用以調停其該用電器具的電壓、電流相位特性，比如：事先要求所使用的40W日光燈必需并聯一個4.75μF的電容器）。

用電容器并連在敏感負載，使用其電容上電流超前電壓的特性用以補償電感上電流滯后電壓的特性來使總的特性接近于阻性，從而改良聽從低下的辦法叫功率因數補償（交換電的功率因數可以用電源電壓與負載電流兩者相位角的余弦函數值cosφ表現）。

圖1

在具有敏感負載中供電線路中電壓和電流的波形

而在上世紀80年代起，用電器具多量的接納聽從高的開關電源，由于開關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展現容性，這就形成了交換220V在對該用電器具供電時，由于濾波電容的充、放電作用，在其兩頭的直流電壓顯現略呈鋸齒波的紋波。

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。依據整流二極管的單導游電性，僅有在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停止。

也就是說，在AC線路電壓的每個半周期內，只是在其峰值四周，二極管才會導通。固然AC輸入電壓仍大要堅持正弦波波形，但AC輸入電流卻呈高幅值的尖峰脈沖，如圖2所示。這種嚴峻失真的電流波形含有多量的諧波成份，惹起線路功率因數嚴峻下降。

在正半個周期內（1800），整流二極管的導通角大大的小于1800乃至僅有300－700，由于要確保負載功率的要求，在極窄的導通角時期會產生極大的導通電流，使供電電路中的供電電流呈脈沖形態，它不僅低落了供電的聽從，更為嚴峻的是它在供電線路容量不敷，或電路負載較大時會產生嚴峻的交換電壓的波形畸變（圖3），并產生多次諧波，從而，干擾了別的用電器具的正常事情（這就是電磁干擾－EMI和電磁兼容－EMC成績）。

圖2

自從用電器具從已往的敏感負載（早前的電視機、收音機等的電源均接納電源變壓器的敏感器件）變成帶整流及濾波電容器的容性負載后，其功率要素補償的涵義不僅是供電的電壓和電流不同相位的成績，更為嚴峻的是要處理因供電電流呈強脈沖形態而惹起的電磁干擾（EMI）和電磁兼容（EMC）成績。

這就是在上世紀末提高起來的一項新武藝（其背景源于開關電源的敏捷提高和廣泛使用）。其主要目標是處理因容性負載招致電流波形嚴峻畸變而產生的電磁干擾(EMl)和電磁兼容(EMC)成績。以是古代的PFC武藝完全不同于已往的功率因數補償武藝，它是針對非正弦電流波形畸變而接納的，迫使交換線路電流追蹤電壓波形瞬時厘革軌跡，并使電流和電壓堅持同相位，使體系呈純電阻性武藝（線路電流波形校正武藝），這就是PFC（功率因數校正）。

以是古代的PFC武藝完成了電流波形的校正也處理了電壓、電流的同相成績。

圖3

于以上緣故，要求用電功率大于85W以上（有的材料體現大于75W）的容性負載用電器具，必需增長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）。這就是古代的功率因數校正（PFC）電路。

容性負載的危害

底下的圖4是不必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。我們依據這兩個電路來分析兩電路中電流的波形。

圖4

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

在(00～1800)t0~t3時間：t0時間電壓為零電流為零，在t1時間電壓到達最大值電流也到達最大值，在t3時間電壓為零電流為零。（二極管導通1800）

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

在(3600～5400)t4～t6時間：t4時間電壓為零電流為零，在t5時間電壓到達最大值電流也到達最大值，在t6時間電壓為零電流為零。（二極管導通1800）

結論：在無濾波電容的整流電路中，供電電路的電壓和電流同相，二極管導通角為1800，關于供電線路來說，該電路展現純阻性的負載特性。

圖5

圖5A中D是整流管，R是負載，C是濾波電容。圖5B是該電路接入交換電時電路中電壓、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時間電壓到達最大值電流也到達最大值，由于此時對負載R供電的同時還要對電容C 舉行充電，以是電流的幅度比力大。在t1時間由于對電容C舉行充電，電容上電壓Uc到達輸入交換電的峰值，由于電容上電壓不克不及漸變，使在t1~t3時期，二極管右方電壓為Uc，而右方電壓在t2時間電壓由峰值漸漸下降為零，t1~t3時期二極管反偏停止，此時期電流為零。（增長濾波電容C后第一個交換電的正半周，二極管的導通角為900 ）

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

在(3600～4100)t4～t5時間：由于在t3~t4時間二極管反偏，不合錯誤C充電，C上電壓經過負載放電，電壓漸漸下降（下降的幅度由C的容量及R的阻值輕重決定，假如C的容量充足大，并且R的阻值也充足大，其Uc下降很緩慢。）在t4~t5時期只管二極管右方電壓在漸漸上升，但是由于二極管右方的Uc放電緩慢右方的電壓Uc仍舊大于右方，二極管仍舊反偏停止。

在(4100～5400)t5～t7時間：t5時間二極管右方電壓上升到凌駕右方電壓二極管導通對負載供電并對C充電，其流過二極管的電流較大，到了t6時間二極管右方電壓又漸漸下降，由于Uc又充電到最大值，二極管在t6~t7時間又進入反偏停止。

結論：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，在短時間內呈強脈沖形態，二級極管導通角小于1800（依據負載R和濾波電容C的時間常數而決定）。該電路關于供電線路來說，由于在強電流脈沖的極短時期線路上會產生較大的壓降（關于內阻較大的供電線路尤為明顯）使供電線路的電壓波形產生畸變，強脈沖的高次諧波對別的的用電器具產生較強的干擾。

怎樣舉行功率因數校正？

功率要素校正（PFC）

我們現在用的電視機由于接納了高效的開關電源，而開關電源內里電源輸入局部，無一例外的接納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 A B

為了抑止電流波形的畸變及提高功率因數，古代的功率較大（大于85W）具有開關電源（容性負載）的用電器具，必需接納PFC辦法，PFC有；有源PFC和無源PFC兩種辦法。

現在局部廠家不使用晶體管等有源器件構成的校正電路。尋常由二極管、電阻、電容和電感等無源器件構成，向現在國內的電視機消費廠對已往計劃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（適中拔取電感量），使用電感上電流不克不及漸變的特性來平滑電容充電強脈沖的動搖，改良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、電磁兼容和電磁干擾得以改良，如圖7。

圖7

此電路固然簡便，可以在前一階段計劃的無PFC功效的裝備上，簡便的增長一個切合的電感（得當的拔取L和C的值），從而到達具有PFC的作用，但是這種簡便的、低本錢的無源PFC輸入紋波較大，濾波電容兩頭的直流電壓也較低，電流畸變的校正及功率因數補償的才能都很差，并且L的繞制及鐵芯的質量控制不佳，會對圖像及伴音產生嚴峻的干擾，只能是關于前一階段無PFC裝備使之能進入市場的暫且辦法。

有源PFC電路的原理

有源PFC則是有很好的后果，基本上可以完全的消弭電流波形的畸變，并且電壓和電流的相位可以控制堅持一律，它可以基本上完全處理了功率因數、電磁兼容、電磁干擾的成績，但是電路十分的繁復，其基本思緒是在220V整流橋堆后去掉濾波電容（以消弭因電容的充電形成的電流波形畸變及相位的厘革），去掉濾波電容后由一個“斬波”電路切脈動的直流變成高頻（約100K）交換再顛末整流濾波后，其直流電壓再向常規的PWM開關穩壓電源供電，其歷程是；AC→DC→AC→DC。

有源PFC的基本原理是在開關電源的整流電路和濾波電容之間增長一個DC－DC的斬波電路圖8（附加開關電源），關于供電線路來說該整流電路輸入沒有直接接濾波電容，以是其關于供電線路來說展現的是純阻性的負載，其電壓和電流波形同相、相位相反。斬波電路的事情也相似于一個開關電源。以是說有源PFC開關電源就是一個雙開關電源的開關電源電路，它是由斬波器（我們今后稱它為：“PFC開關電源”）和穩壓開關電源（我們今后稱它為：“PWM開關電源”）構成的。

圖8

斬波器局部（PFC開關電源）

整流二極管整流今后不加濾波電容器，把未經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”事情脈動的正電壓被“斬”成圖9的電流波形，其波形的特點是：

1、電流波形是斷續的，其包絡線和電壓波形相反，并且包絡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）“交換”電，該高頻“交換”電要再次顛末整流才干被后級PWM開關穩壓電源使用。

3、從外供電總的看該用電體系做到了交換電壓和交換電流同相并且電壓波形和電流波形均切合正弦波形，既處理了功率要素補償成績，也處理電磁兼容（EMC）和電磁干擾（EMI）成績。

該高頻“交換”電在顛末整流二極管整流并顛末濾波變成直流電壓（電源）向后級的PWM開關電源供電。該直流電壓在某些材料上把它稱為：B+PFC（TPW-4211便是云云），在斬波器輸入的B+PFC電壓尋常高于原220交換整流濾波后的+300V，其緣故是選用高電壓，其電感的線徑小、線路壓降小、濾波電容容量小，且濾波后果好，對后級PWM開關管要求低階等諸多利益。黑為電壓波形，赤色虛線為電流包絡波形。

圖9

現在PFC開關電源局部，起到開關作用的斬波管（K）有兩種事情辦法：

1、 一連導通形式（CCM）：開關管的事情頻率一定，而導通的占空比（系數）隨被斬波電壓的幅度厘革而厘革,如圖10，圖中T1 和 T2 的地點是：T1在被斬波電壓（半個周期）的低電壓區，T2在被斬波電壓高電壓區，T1（時間）＝T2（時間）從圖中可以看到一切的開關周期時間都相稱，這分析在被斬波電壓的任何幅度時，斬波管的事情頻率安定，從圖10中可以看出；在高電壓區和低電壓區每個斬波周期內的占空比不同（T1和T2的時間相反，而上升脈沖的寬度不同），被斬波電壓為零時（無電壓），斬波頻率仍舊安定，以是稱為一連導通形式（CCM）該種形式尋常使用在250W～2000W的裝備上。

圖10

2、 不一連導通形式（DCM）：斬波開關管的事情頻率隨被斬波電壓的輕重厘革（每一個開關周期內“開”“關”時間相稱。如圖11：T1和T2時間不同，也反應隨著電壓幅度的厘革其斬波頻率也相應厘革。被斬波電壓為“零”開關中止（振蕩中止），以是稱為不一連導通形式（DCM），即有輸入電壓斬波管事情，無輸入電壓斬波管不事情。他尋常使用在250W以下的小功率裝備上。

圖11

（3）臨界導通形式（CRM）或過渡形式（TCM）：

事情介于CCM和DCM之間，事情更接近DCM形式。在上一個導通周期完畢后，下一個導通周期之前，電感電流將衰減為零，并且頻率隨著線路電壓和負載的厘革而厘革。

優點：便宜芯片、便于計劃，沒有開關的導通斲喪，升壓二極管的選擇并非決定性的；

缺陷：由于頻率厘革，存在潛伏的EMI成績，必要一個計劃準確的輸入濾波器。

免責聲明：本文轉自網絡，版權歸原作者一切，如觸及作品版權成績，請及時與我們接洽，謝謝！