有源pfc原理知識科普

PFC的全稱是Power Factor Corrector，意思是功率因數(shù)校正器，它可以在交流轉(zhuǎn)換為直流時提高電源對市電的利用率，減小轉(zhuǎn)換過程的電能損耗，達到節(jié)能的目的。此外，PFC還能減少電源對市電電網(wǎng)的干擾，尤其是避免它在突然啟動時對其他電器的影響。

在平時的應(yīng)用過程中，工程師們所常常提到的有源PFC技術(shù)，其實就是在整流電路與負載之間增加一個功率變換器，然后應(yīng)用電流反饋技術(shù)，通過一些適當(dāng)?shù)目刂品椒ú粩嗾{(diào)節(jié)輸入電流，使其跟蹤輸入正弦波電壓波形，將輸入電流校正成與電網(wǎng)電壓同相的正弦波，因而功率因數(shù)可提高到近似為1。由于該方案中應(yīng)用了有源器件，故稱為有源功率因數(shù)校正，頁被稱為APFC。即對電路采取措施，使輸入電流波形接近正弦波并與輸入電壓同相位，電流正弦化便使V=1，同相位就是因數(shù)CoSq=1。

在電路系統(tǒng)的實際應(yīng)用和設(shè)計過程中，有源PFC的主要設(shè)計目的，其實就是為了減小輸入電流諧波。而一旦輸入電流諧波得到削弱，那么在這一電路系統(tǒng)中將會實現(xiàn)直流穩(wěn)壓輸出，并進一步實現(xiàn)單位輸入功率因數(shù)。為此在整流器和負載之間接入一個DC DC開關(guān)變換器，應(yīng)用電壓、電流反饋技術(shù)，使輸入端電流波形跟蹤交流輸入正弦電壓波形，可以使輸入電流接近正弦，從而大大提高功率因數(shù)PF，一般校正后PF可提高到0 99或更高。由于諧波電流是導(dǎo)致開關(guān)電源功率因數(shù)下降的主要原因，所以，要改善此類系統(tǒng)的功率因數(shù)，就必須大力提高輸入電流波形畸變因數(shù)。下圖所展示的即為一般APFC的電路框圖。

從上圖所展示的有源PFC功率校正原理電路系統(tǒng)來看，APFC在目前應(yīng)用中所使用到的基本電路就是一種開關(guān)電源，但它與傳統(tǒng)的開關(guān)電源的區(qū)別在于，DC/DC變換之前沒有濾波電容，電壓是全波整流器輸出的半波正弦脈動電壓，這個正弦半波脈動直流電壓和整流器的輸出電流與輸出的負載電壓都受到實時的檢測與監(jiān)控，其控制的結(jié)果是達到全波整流器輸入功率因數(shù)近似為1。

有源pfc電路工作原理

作為功率因數(shù)校正的一種有效方案，有源PFC電路相比較無源PFC來說，在功率因數(shù)校正方面有很好的效果，不僅可以完全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。有源PFC在運行時基本上解決了功率因數(shù)、電磁兼容、電磁干擾的問題，但其主要缺點是電路非常的復(fù)雜。

在進行有源PFC電路的設(shè)計時，一個基本的設(shè)計思路是在220V整流橋堆后去掉濾波電容，這樣做主要是為了消除因電容充電造成的電流波形畸變及相位變化。然后由一個斬波電路，把脈動的直流變成高頻交流經(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。其具體的設(shè)置過程如下圖所示：

這種有源功率因數(shù)校正電路之所以能夠能夠?qū)崿F(xiàn)濾波功能，其主要的工作原理是在開關(guān)電源的整流電路和濾波電容之間增加一個DC-DC的斬波電路，在運行過程中，斬波電路等于附加一個開關(guān)電源。有源PFC電路對于供電線路來說，整流電路輸出沒有直接接濾波電容，所以其對于供電線路來說呈現(xiàn)的是純阻性的負載，其電壓和電流波開洞相、相位相同。斬波電路的工作也類似于一個開關(guān)電源，所以說有源PFC開關(guān)電源就是一個雙開關(guān)電源的開關(guān)電源電路，它是由斬波器和穩(wěn)壓開關(guān)電源組成的。

ＰＦＣ開關(guān)電源功率因數(shù)校正原理

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)的定義為有功功率與視在功率的比值．

功率因素補償：這項技術(shù)主要是針對因具有感性負載的交流用電器具的電壓和電流不同相（圖1）而引起的供電效率低下，提出的改進方法（由于感性負載的電流滯后所加電壓，電壓和電流的相位不同，使供電線路的負擔(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)一個性質(zhì)相反的電抗元件。用以調(diào)整該用電器具的電壓、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）。用電容器并聯(lián)在感性負載的兩端，利用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，使總的特性接近于阻性，從而改善效率低下的方法叫做功率因數(shù)補償（交流電的功率因數(shù)可以用電源電壓與負載電流兩者相位角的余弦函數(shù)值cosφ表示）。

常規(guī)開關(guān)電源功率因數(shù)低是由于開關(guān)電源都是在整流后，用一個大容量的濾波電容使輸出電壓平滑，因此負載特性呈現(xiàn)容性。這就造成了交流220V在整流后，由于濾波電容的充、放電作用，在其兩端的直流電壓上出現(xiàn)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

圖2 全波整流電壓和AC輸入電流波形

因為根據(jù)整流二極管的單向?qū)щ娦?，只有在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(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)嚴重下降。

在正半個周期內(nèi)（180o），整流二極管的導(dǎo)通角大大小于180o，甚至只有30o～70o。由于要保證負載功率的要求，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，更為嚴重的是，它在供電線路容量不足或電路負載較大時，會產(chǎn)生嚴重的交流電壓波形畸變（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）。