開關(guān)電源PFC及其工作原理(圖文)

什么是功率因數(shù)補償，什么是功率因數(shù)校正：

功率因數(shù)補償：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娦裕挥性贏C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、收音機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，強脈沖的高次諧波對其它的用電器具產(chǎn)生較強的干擾。

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)的電視機生產(chǎn)廠對過去設(shè)計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