有源pfc電路工作原理

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有源pfc電路工作原理

發表於 2018-01-23 09:59:56

有源pfc原理知識科普

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

在平時的應用過程中，工程師們所常常提到的有源PFC技術，其實就是在整流電路與負載之間增加一個功率變換器，然後應用電流反饋技術，通過一些適當的控制方法不斷調節輸入電流，使其跟蹤輸入正弦波電壓波形，將輸入電流校正成與電網電壓同相的正弦波，因而功率因數可提高到近似為1。由於該方案中應用了有源器件，故稱為有源功率因數校正，頁被稱為APFC。即對電路採取措施，使輸入電流波形接近正弦波並與輸入電壓同相位，電流正弦化便使V=1，同相位就是因數CoSq=1。

在電路系統的實際應用和設計過程中，有源PFC的主要設計目的，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，那麼在這一電路系統中將會實現直流穩壓輸出，並進一步實現單位輸入功率因數。為此在整流器和負載之間接入一個DC DC開關變換器，應用電壓、電流反饋技術，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PF，一般校正後PF可提高到0 99或更高。由於諧波電流是導致開關電源功率因數下降的主要原因，所以，要改善此類系統的功率因數，就必須大力提高輸入電流波形畸變因數。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來看，APFC在目前應用中所使用到的基本電路就是一種開關電源，但它與傳統的開關電源的區別在於，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控，其控制的結果是達到全波整流器輸入功率因數近似為1。

有源pfc電路工作原理

作為功率因數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、電磁兼容、電磁幹擾的問題，但其主要缺點是電路非常的複雜。

在進行有源PFC電路的設計時，一個基本的設計思路是在220V整流橋堆後去掉濾波電容，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。然後由一個斬波電路，把脈動的直流變成高頻交流經過整流濾波後，其直流電壓再向常規的PWM開關穩壓電源供電，其過程是AC-DC-AC-DC。其具體的設置過程如下圖所示：

這種有源功率因數校正電路之所以能夠能夠實現濾波功能，其主要的工作原理是在開關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，斬波電路等於附加一個開關電源。有源PFC電路對於供電線路來說，整流電路輸出沒有直接接濾波電容，所以其對於供電線路來說呈現的是純阻性的負載，其電壓和電流波開洞相、相位相同。斬波電路的工作也類似於一個開關電源，所以說有源PFC開關電源就是一個雙開關電源的開關電源電路，它是由斬波器和穩壓開關電源組成的。

ＰＦＣ開關電源功率因數校正原理

什麼是功率因數補償，什麼是功率因數校正： 功率因數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（由於感性負載的電流滯後所加電壓，電壓和電流的相位不同，使供電線路的負擔加重，導致供電線路效率下降，這就要求在感性用電器具上並聯一個性質相反的電抗元件。用以調整該用電器具的電壓、電流相位特性。例如：當時要求所使用的40W日光燈必須並聯一個4.75μF的電容器）。用電容器並聯在感性負載的兩端，利用電容上電流超前電壓的特性，用以補償電感上電流滯後電壓的特性，使總的特性接近於阻性，從而改善效率低下的方法叫做功率因數補償（交流電的功率因數可以用電源電壓與負載電流兩者相位角的餘弦函數值cosφ表示）。

常規開關電源功率因數低是由於開關電源都是在整流後，用一個大容量的濾波電容使輸出電壓平滑，因此負載特性呈現容性。這就造成了交流220V在整流後，由於濾波電容的充、放電作用，在其兩端的直流電壓上出現略呈鋸齒波的紋波。濾波電容上電壓的最小值遠非為零，與其最大值（紋波峰值）相差並不多

圖2 全波整流電壓和AC輸入電流波形

因為根據整流二極體的單向導電性，只有在AC線路電壓瞬時值高於濾波電容上的電壓時，整流二極體才會因正向偏置而導通，而當AC輸入電壓瞬時值低於濾波電容上的電壓時，整流二極體因反向偏置而截止。也就是說，在AC線路電壓的每個半周期內，只是在其峰值附近，二極體才會導通。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衝，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，引起線路功率因數嚴重下降。

在正半個周期內（180º），整流二極體的導通角大大小於180º，甚至只有30º～70º。由於要保證負載功率的要求，在極窄的導通角期間，會產生極大的導通電流，使供電電路中的供電電流呈脈衝狀態。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，會產生嚴重的交流電壓波形畸變（圖3），並產生多次諧波，從而幹擾了其它用電器具的正常工作（這就是電磁幹擾－EMI和電磁兼容－EMC問題）。

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