一文搞懂PFC（功率因數(shù)校正）

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，以前針對(duì)具有敏感負(fù)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(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(lián)一個(gè)電容器用以調(diào)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(lián)一個(gè)4.75μF的電容器）。

用電容器并連在敏感負(fù)載，使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，從而改良聽從低下的辦法叫功率因數(shù)補(bǔ)償（交換電的功率因數(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表現(xiàn)）。

圖1

在具有敏感負(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，用電器具多量的接納聽從高的開關(guān)電源，由于開關(guān)電源都是在整流后用一個(gè)大容量的濾波電容，使該用電器具的負(fù)載特性展現(xiàn)容性，這就形成了交換220V在對(duì)該用電器具供電時(shí)，由于濾波電容的充、放電作用，在其兩頭的直流電壓顯現(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。依據(jù)整流二極管的單導(dǎo)游電性，僅有在AC線路電壓瞬時(shí)值高于濾波電容上的電壓時(shí)，整流二極管才會(huì)因正向偏置而導(dǎo)通，而當(dāng)AC輸入電壓瞬時(shí)值低于濾波電容上的電壓時(shí)，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(gè)半周期內(nèi)，只是在其峰值四周，二極管才會(huì)導(dǎo)通。固然AC輸入電壓仍大要堅(jiān)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)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(shù)嚴(yán)峻下降。

在正半個(gè)周期內(nèi)（1800），整流二極管的導(dǎo)通角大大的小于1800乃至僅有300－700，由于要確保負(fù)載功率的要求，在極窄的導(dǎo)通角時(shí)期會(huì)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形態(tài)，它不僅低落了供電的聽從，更為嚴(yán)峻的是它在供電線路容量不敷，或電路負(fù)載較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)峻的交換電壓的波形畸變（圖3），并產(chǎn)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(fù)載（早前的電視機(jī)、收音機(jī)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(fù)載后，其功率要素補(bǔ)償?shù)暮x不僅是供電的電壓和電流不同相位的成績，更為嚴(yán)峻的是要處理因供電電流呈強(qiáng)脈沖形態(tài)而惹起的電磁干擾（EMI）和電磁兼容（EMC）成績。

這就是在上世紀(jì)末提高起來的一項(xiàng)新武藝（其背景源于開關(guān)電源的敏捷提高和廣泛使用）。其主要目標(biāo)是處理因容性負(fù)載招致電流波形嚴(yán)峻畸變而產(chǎn)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(shù)補(bǔ)償武藝，它是針對(duì)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(shí)厘革軌跡，并使電流和電壓堅(jiān)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(shù)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(xiàn)大于75W）的容性負(fù)載用電器具，必需增長校正其負(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）。這就是古代的功率因數(shù)校正（PFC）電路。

容性負(fù)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(jù)這兩個(gè)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(fù)載。圖4B是該電路接入交換電時(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)間電壓到達(dá)最大值電流也到達(dá)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。（二極管停止）

在(3600～5400)t4～t6時(shí)間：t4時(shí)間電壓為零電流為零，在t5時(shí)間電壓到達(dá)最大值電流也到達(dá)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，關(guān)于供電線路來說，該電路展現(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是該電路接入交換電時(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)間電壓到達(dá)最大值電流也到達(dá)最大值，由于此時(shí)對(duì)負(fù)載R供電的同時(shí)還要對(duì)電容C 舉行充電，以是電流的幅度比力大。在t1時(shí)間由于對(duì)電容C舉行充電，電容上電壓Uc到達(dá)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(shí)期，二極管右方電壓為Uc，而右方電壓在t2時(shí)間電壓由峰值漸漸下降為零，t1~t3時(shí)期二極管反偏停止，此時(shí)期電流為零。（增長濾波電容C后第一個(gè)交換電的正半周，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。（二極管停止）

在(3600～4100)t4～t5時(shí)間：由于在t3~t4時(shí)間二極管反偏，不合錯(cuò)誤C充電，C上電壓經(jīng)過負(fù)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(shí)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(shí)間：t5時(shí)間二極管右方電壓上升到凌駕右方電壓二極管導(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(shí)間又進(jìn)入反偏停止。

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)脈沖形態(tài)，二級(jí)極管導(dǎo)通角小于1800（依據(jù)負(fù)載R和濾波電容C的時(shí)間常數(shù)而決定）。該電路關(guān)于供電線路來說，由于在強(qiáng)電流脈沖的極短時(shí)期線路上會(huì)產(chǎn)生較大的壓降（關(guān)于內(nèi)阻較大的供電線路尤為明顯）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)別的的用電器具產(chǎn)生較強(qiáng)的干擾。

怎樣舉行功率因數(shù)校正？

功率要素校正（PFC）

我們現(xiàn)在用的電視機(jī)由于接納了高效的開關(guān)電源，而開關(guān)電源內(nèi)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(shù)，古代的功率較大（大于85W）具有開關(guān)電源（容性負(fù)載）的用電器具，必需接納PFC辦法，PFC有；有源PFC和無源PFC兩種辦法。

現(xiàn)在局部廠家不使用晶體管等有源器件構(gòu)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(gòu)成，向現(xiàn)在國內(nèi)的電視機(jī)消費(fèi)廠對(duì)已往計(jì)劃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(qiáng)脈沖的動(dòng)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(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良，如圖7。

圖7

此電路固然簡便，可以在前一階段計(jì)劃的無PFC功效的裝備上，簡便的增長一個(gè)切合的電感（得當(dāng)?shù)陌稳和C的值），從而到達(dá)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(shù)補(bǔ)償?shù)牟拍芏己懿?，并且L的繞制及鐵芯的質(zhì)量控制不佳，會(huì)對(duì)圖像及伴音產(chǎn)生嚴(yán)峻的干擾，只能是關(guān)于前一階段無PFC裝備使之能進(jìn)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(jiān)持一律，它可以基本上完全處理了功率因數(shù)、電磁兼容、電磁干擾的成績，但是電路十分的繁復(fù)，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(gè)“斬波”電路切脈動(dòng)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(guī)的PWM開關(guān)穩(wěn)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(guān)電源的整流電路和濾波電容之間增長一個(gè)DC－DC的斬波電路圖8（附加開關(guān)電源），關(guān)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(guān)于供電線路來說展現(xiàn)的是純阻性的負(fù)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(gè)開關(guān)電源。以是說有源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（我們今后稱它為：“PFC開關(guān)電源”）和穩(wěn)壓開關(guān)電源（我們今后稱它為：“PWM開關(guān)電源”）構(gòu)成的。

圖8

斬波器局部（PFC開關(guān)電源）

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

1、電流波形是斷續(xù)的，其包絡(luò)線和電壓波形相反，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(dòng)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(jí)PWM開關(guān)穩(wěn)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(bǔ)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(jí)的PWM開關(guān)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(duì)后級(jí)PWM開關(guān)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(luò)波形。

圖9

現(xiàn)在PFC開關(guān)電源局部，起到開關(guān)作用的斬波管（K）有兩種事情辦法：

1、 一連導(dǎo)通形式（CCM）：開關(guān)管的事情頻率一定，而導(dǎo)通的占空比（系數(shù)）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(diǎn)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）從圖中可以看到一切的開關(guān)周期時(shí)間都相稱，這分析在被斬波電壓的任何幅度時(shí)，斬波管的事情頻率安定，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)間相反，而上升脈沖的寬度不同），被斬波電壓為零時(shí)（無電壓），斬波頻率仍舊安定，以是稱為一連導(dǎo)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(dǎo)通形式（DCM）：斬波開關(guān)管的事情頻率隨被斬波電壓的輕重厘革（每一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)“開”“關(guān)”時(shí)間相稱。如圖11：T1和T2時(shí)間不同，也反應(yīng)隨著電壓幅度的厘革其斬波頻率也相應(yīng)厘革。被斬波電壓為“零”開關(guān)中止（振蕩中止），以是稱為不一連導(dǎo)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(dǎo)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(gè)導(dǎo)通周期完畢后，下一個(gè)導(dǎo)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(fù)載的厘革而厘革。

優(yōu)點(diǎn)：便宜芯片、便于計(jì)劃，沒有開關(guān)的導(dǎo)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(gè)計(jì)劃準(zhǔn)確的輸入濾波器。

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