一文搞懂PFC（功率因数校正）

一文搞懂PFC（功率因数校正）

什么是功率因数补偿？什么是功率因数校正？

功率因数补偿：在上世纪五十年代，以前针对具有敏感负载的交换用电器具的电压和电流不同相（图1）从而惹起的供电听从低下提出了改良办法（由于敏感负载的电流滞后所加电压，由于电压和电流的相位不同使供电线路的包袱增重招致供电线路听从下降，这就要求在敏感用电器具上并联一个电容器用以调停其该用电器具的电压、电流相位特性，比如：事先要求所使用的40W日光灯必需并联一个4.75μF的电容器）。

用电容器并连在敏感负载，使用其电容上电流超前电压的特性用以补偿电感上电流滞后电压的特性来使总的特性接近于阻性，从而改良听从低下的办法叫功率因数补偿（交换电的功率因数可以用电源电压与负载电流两者相位角的余弦函数值cosφ表现）。

图1

在具有敏感负载中供电线路中电压和电流的波形

而在上世纪80年代起，用电器具多量的接纳听从高的开关电源，由于开关电源都是在整流后用一个大容量的滤波电容，使该用电器具的负载特性展现容性，这就形成了交换220V在对该用电器具供电时，由于滤波电容的充、放电作用，在其两头的直流电压显现略呈锯齿波的纹波。

滤波电容上电压的最小值远非为零，与其最大值(纹波峰值)相差并不多。依据整流二极管的单导游电性，仅有在AC线路电压瞬时值高于滤波电容上的电压时，整流二极管才会因正向偏置而导通，而当AC输入电压瞬时值低于滤波电容上的电压时，整流二极管因反向偏置而停止。

也就是说，在AC线路电压的每个半周期内，只是在其峰值四周，二极管才会导通。固然AC输入电压仍大要坚持正弦波波形，但AC输入电流却呈高幅值的尖峰脉冲，如图2所示。这种严峻失真的电流波形含有多量的谐波成份，惹起线路功率因数严峻下降。

在正半个周期内（1800），整流二极管的导通角大大的小于1800乃至仅有300－700，由于要确保负载功率的要求，在极窄的导通角时期会产生极大的导通电流，使供电电路中的供电电流呈脉冲形态，它不仅低落了供电的听从，更为严峻的是它在供电线路容量不敷，或电路负载较大时会产生严峻的交换电压的波形畸变（图3），并产生多次谐波，从而，干扰了别的用电器具的正常事情（这就是电磁干扰－EMI和电磁兼容－EMC成绩）。

图2

自从用电器具从已往的敏感负载（早前的电视机、收音机等的电源均接纳电源变压器的敏感器件）变成带整流及滤波电容器的容性负载后，其功率要素补偿的涵义不仅是供电的电压和电流不同相位的成绩，更为严峻的是要处理因供电电流呈强脉冲形态而惹起的电磁干扰（EMI）和电磁兼容（EMC）成绩。

这就是在上世纪末提高起来的一项新武艺（其背景源于开关电源的敏捷提高和广泛使用）。其主要目标是处理因容性负载招致电流波形严峻畸变而产生的电磁干扰(EMl)和电磁兼容(EMC)成绩。以是古代的PFC武艺完全不同于已往的功率因数补偿武艺，它是针对非正弦电流波形畸变而接纳的，迫使交换线路电流追踪电压波形瞬时厘革轨迹，并使电流和电压坚持同相位，使体系呈纯电阻性武艺（线路电流波形校正武艺），这就是PFC（功率因数校正）。

以是古代的PFC武艺完成了电流波形的校正也处理了电压、电流的同相成绩。

图3

于以上缘故，要求用电功率大于85W以上（有的材料体现大于75W）的容性负载用电器具，必需增长校正其负载特性的校正电路，使其负载特性接近于阻性（电压和电流波形同相且波形相近）。这就是古代的功率因数校正（PFC）电路。

容性负载的危害

底下的图4是不必滤波电容的半波整流电路，图5是用了大容量滤波电容的半波整流电路。我们依据这两个电路来分析两电路中电流的波形。

图4

A中D是整流管，R是负载。图4B是该电路接入交换电时电路中电压、电流波形图。

在(00～1800)t0~t3时间：t0时间电压为零电流为零，在t1时间电压到达最大值电流也到达最大值，在t3时间电压为零电流为零。（二极管导通1800）

在（1800～3600）t3~t4:时间：二极管反偏无电压及电流。（二极管停止）

在(3600～5400)t4～t6时间：t4时间电压为零电流为零，在t5时间电压到达最大值电流也到达最大值，在t6时间电压为零电流为零。（二极管导通1800）

结论：在无滤波电容的整流电路中，供电电路的电压和电流同相，二极管导通角为1800，关于供电线路来说，该电路展现纯阻性的负载特性。

图5

图5A中D是整流管，R是负载，C是滤波电容。图5B是该电路接入交换电时电路中电压、电流波形图。

在(00～1800)t0～t3时间：t1时间电压为零电流为零，在t1时间电压到达最大值电流也到达最大值，由于此时对负载R供电的同时还要对电容C 举行充电，以是电流的幅度比力大。在t1时间由于对电容C举行充电，电容上电压Uc到达输入交换电的峰值，由于电容上电压不克不及渐变，使在t1~t3时期，二极管右方电压为Uc，而右方电压在t2时间电压由峰值渐渐下降为零，t1~t3时期二极管反偏停止，此时期电流为零。（增长滤波电容C后第一个交换电的正半周，二极管的导通角为900 ）

在(1800～3600)t3～t4时间：二极管反偏无电压及电流。（二极管停止）

在(3600～4100)t4～t5时间：由于在t3~t4时间二极管反偏，不合错误C充电，C上电压经过负载放电，电压渐渐下降（下降的幅度由C的容量及R的阻值轻重决定，假如C的容量充足大，并且R的阻值也充足大，其Uc下降很缓慢。）在t4~t5时期只管二极管右方电压在渐渐上升，但是由于二极管右方的Uc放电缓慢右方的电压Uc仍旧大于右方，二极管仍旧反偏停止。

在(4100～5400)t5～t7时间：t5时间二极管右方电压上升到凌驾右方电压二极管导通对负载供电并对C充电，其流过二极管的电流较大，到了t6时间二极管右方电压又渐渐下降，由于Uc又充电到最大值，二极管在t6~t7时间又进入反偏停止。

结论：在有滤波电容的整流电路中，供电电路的电压和电流波形完全不同，电流波形，在短时间内呈强脉冲形态，二级极管导通角小于1800（依据负载R和滤波电容C的时间常数而决定）。该电路关于供电线路来说，由于在强电流脉冲的极短时期线路上会产生较大的压降（关于内阻较大的供电线路尤为明显）使供电线路的电压波形产生畸变，强脉冲的高次谐波对别的的用电器具产生较强的干扰。

怎样举行功率因数校正？

功率要素校正（PFC）

我们现在用的电视机由于接纳了高效的开关电源，而开关电源内里电源输入局部，无一例外的接纳了二极管全波整流及滤波电路，如图6A，其电压和电流波形如图6B。

图6 A B

为了抑止电流波形的畸变及提高功率因数，古代的功率较大（大于85W）具有开关电源（容性负载）的用电器具，必需接纳PFC办法，PFC有；有源PFC和无源PFC两种办法。

现在局部厂家不使用晶体管等有源器件构成的校正电路。寻常由二极管、电阻、电容和电感等无源器件构成，向现在国内的电视机消费厂对已往计划的功率较大的电视机，在整流桥堆和滤波电容之间加一只电感（适中拔取电感量），使用电感上电流不克不及渐变的特性来平滑电容充电强脉冲的动摇，改良供电线路电流波形的畸变，并且在电感上电压超前电流的特性也补偿滤波电容电流超前电压的特性，使功率因数、电磁兼容和电磁干扰得以改良，如图7。

图7

此电路固然简便，可以在前一阶段计划的无PFC功效的装备上，简便的增长一个切合的电感（得当的拔取L和C的值），从而到达具有PFC的作用，但是这种简便的、低本钱的无源PFC输入纹波较大，滤波电容两头的直流电压也较低，电流畸变的校正及功率因数补偿的才能都很差，并且L的绕制及铁芯的质量控制不佳，会对图像及伴音产生严峻的干扰，只能是关于前一阶段无PFC装备使之能进入市场的暂且办法。

有源PFC电路的原理

有源PFC则是有很好的后果，基本上可以完全的消弭电流波形的畸变，并且电压和电流的相位可以控制坚持一律，它可以基本上完全处理了功率因数、电磁兼容、电磁干扰的成绩，但是电路十分的繁复，其基本思绪是在220V整流桥堆后去掉滤波电容（以消弭因电容的充电形成的电流波形畸变及相位的厘革），去掉滤波电容后由一个“斩波”电路切脉动的直流变成高频（约100K）交换再颠末整流滤波后，其直流电压再向常规的PWM开关稳压电源供电，其历程是；AC→DC→AC→DC。

有源PFC的基本原理是在开关电源的整流电路和滤波电容之间增长一个DC－DC的斩波电路图8（附加开关电源），关于供电线路来说该整流电路输入没有直接接滤波电容，以是其关于供电线路来说展现的是纯阻性的负载，其电压和电流波形同相、相位相反。斩波电路的事情也相似于一个开关电源。以是说有源PFC开关电源就是一个双开关电源的开关电源电路，它是由斩波器（我们今后称它为：“PFC开关电源”）和稳压开关电源（我们今后称它为：“PWM开关电源”）构成的。

图8

斩波器局部（PFC开关电源）

整流二极管整流今后不加滤波电容器，把未经滤波的脉动正半周电压作为斩波器的供电源，由于斩波器的一连串的做“开关”事情脉动的正电压被“斩”成图9的电流波形，其波形的特点是：

1、电流波形是断续的，其包络线和电压波形相反，并且包络线和电压波形相位同相。

2、由于斩波的作用，半波脉动的直流电变成高频（由斩波频率决定，约100KHz）“交换”电，该高频“交换”电要再次颠末整流才干被后级PWM开关稳压电源使用。

3、从外供电总的看该用电体系做到了交换电压和交换电流同相并且电压波形和电流波形均切合正弦波形，既处理了功率要素补偿成绩，也处理电磁兼容（EMC）和电磁干扰（EMI）成绩。

该高频“交换”电在颠末整流二极管整流并颠末滤波变成直流电压（电源）向后级的PWM开关电源供电。该直流电压在某些材料上把它称为：B+PFC（TPW-4211便是云云），在斩波器输入的B+PFC电压寻常高于原220交换整流滤波后的+300V，其缘故是选用高电压，其电感的线径小、线路压降小、滤波电容容量小，且滤波后果好，对后级PWM开关管要求低阶等诸多利益。黑为电压波形，赤色虚线为电流包络波形。

图9

现在PFC开关电源局部，起到开关作用的斩波管（K）有两种事情办法：

1、 一连导通形式（CCM）：开关管的事情频率一定，而导通的占空比（系数）随被斩波电压的幅度厘革而厘革,如图10，图中T1 和 T2 的地点是：T1在被斩波电压（半个周期）的低电压区，T2在被斩波电压高电压区，T1（时间）＝T2（时间）从图中可以看到一切的开关周期时间都相称，这分析在被斩波电压的任何幅度时，斩波管的事情频率安定，从图10中可以看出；在高电压区和低电压区每个斩波周期内的占空比不同（T1和T2的时间相反，而上升脉冲的宽度不同），被斩波电压为零时（无电压），斩波频率仍旧安定，以是称为一连导通形式（CCM）该种形式寻常使用在250W～2000W的装备上。

图10

2、 不一连导通形式（DCM）：斩波开关管的事情频率随被斩波电压的轻重厘革（每一个开关周期内“开”“关”时间相称。如图11：T1和T2时间不同，也反应随着电压幅度的厘革其斩波频率也相应厘革。被斩波电压为“零”开关中止（振荡中止），以是称为不一连导通形式（DCM），即有输入电压斩波管事情，无输入电压斩波管不事情。他寻常使用在250W以下的小功率装备上。

图11

（3）临界导通形式（CRM）或过渡形式（TCM）：

事情介于CCM和DCM之间，事情更接近DCM形式。在上一个导通周期完毕后，下一个导通周期之前，电感电流将衰减为零，并且频率随着线路电压和负载的厘革而厘革。

优点：便宜芯片、便于计划，没有开关的导通斲丧，升压二极管的选择并非决定性的；

缺陷：由于频率厘革，存在潜伏的EMI成绩，必要一个计划准确的输入滤波器。

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