干貨 | 如何更好的理解PFC（功率因數(shù)校正）

圖1

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(xiàng)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(duì)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(shí)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。

圖4

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

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

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

在(3600～5400)t4～t6時(shí)間：t4時(shí)間電壓為零電流為零，在t5時(shí)間電壓達(dá)到最大值電流也達(dá)到最大值，在t6時(shí)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(duì)于供電線路來說，該電路呈現(xiàn)純阻性的負(fù)載特性。

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(shí)電路中電壓、電流波形圖。

在(00～1800)t0～t3時(shí)間：t1時(shí)間電壓為零電流為零，在t1時(shí)間電壓達(dá)到最大值電流也達(dá)到最大值，因?yàn)榇藭r(shí)對(duì)負(fù)載R供電的同時(shí)還要對(duì)電容C 進(jìn)行充電，所以電流的幅度比較大。在t1時(shí)間由于對(duì)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(shí)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(gè)交流電的正半周，二極管的導(dǎo)通角為900 ）

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

在(3600～4100)t4～t5時(shí)間：由于在t3~t4時(shí)間二極管反偏，不對(duì)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(shí)間：t5時(shí)間二極管左邊電壓上升到超過右邊電壓二極管導(dǎo)通對(duì)負(fù)載供電并對(duì)C充電，其流過二極管的電流較大，到了t6時(shí)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(shí)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(shí)間內(nèi)呈強(qiáng)脈沖狀態(tài)，二級(jí)極管導(dǎo)通角小于1800（根據(jù)負(fù)載R和濾波電容C的時(shí)間常數(shù)而決定）。該電路對(duì)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(huì)產(chǎn)生較大的壓降（對(duì)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(duì)其它的用電器具產(chǎn)生較強(qiáng)的干擾。

04 怎樣進(jìn)行功率因素校正：

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

圖6 A                                          B

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。

目前部分廠家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(guó)內(nèi)的電視機(jī)生產(chǎn)廠對(duì)過去設(shè)計(jì)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(dòng)，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

此電路雖然簡(jiǎn)單，可以在前期設(shè)計(jì)的無PFC功能的設(shè)備上，簡(jiǎn)單的增加一個(gè)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(jiǎn)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?，而且L的繞制及鐵芯的質(zhì)量控制不好，會(huì)對(duì)圖像及伴音產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾，只能是對(duì)于前期無PFC設(shè)備使之能進(jìn)入市場(chǎng)的臨時(shí)措施。

05 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(gè)“斬波”電路把脈動(dòng)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(gè)DC－DC的斬波電路圖8（附加開關(guān)電源），對(duì)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(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（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

06 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(dòng)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(dòng)的正電壓被“斬”成圖9的電流波形，其波形的特點(diǎn)是：

· 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。

· 由于斬波的作用，半波脈動(dòng)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(jí)PWM開關(guān)穩(wěn)壓電源使用。

· 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(jí)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(duì)后級(jí)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：

i：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(gè)周期）的低電壓區(qū)，T2在被斬波電壓高電壓區(qū)，T1（時(shí)間）＝T2（時(shí)間）從圖中可以看到所有的開關(guān)周期時(shí)間都相等，這說明在被斬波電壓的任何幅度時(shí)，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(gè)斬波周期內(nèi)的占空比不同（T1和T2的時(shí)間相同，而上升脈沖的寬度不同），被斬波電壓為零時(shí)（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

ii：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(gè)開關(guān)周期內(nèi)“開”“關(guān)”時(shí)間相等。如圖11：T1和T2時(shí)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。

圖11

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(gè)導(dǎo)通周期結(jié)束后，下一個(gè)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(jià)芯片、便于設(shè)計(jì)，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(gè)設(shè)計(jì)精確的輸入濾波器。