PFC 電路之有源VS無源

PFC電路在實際應用過程中，通常會分為有源PFC和無源兩種，其應用效果和操作模式也有所差別。今天就讓我們來看一下這兩種PFC電路的工作原理和設計思路吧。

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一、有源PFC電路

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：

有源PFC電路的基本工作原理大致如下：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，其電壓和電流波形同相、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。

一、無源PFC電路

無源PFC電路在實際應用的過程中，由於其成本相對較低，因此曾經一度得到了廣泛的應用。不過，這種PFC電路設計方式目前已經逐漸開始被有源PFC電路所代替。儘管如此，作為一種比較基礎的PFC方式，剛剛開始接觸電路設計工作的新人工程師們還是有必要了解一下無源PFC電路工作原理知識的。所謂無源PFC電路，顧名思義，就是在其電路設計的過程中並不使用電晶體等有源電子元器件，換句話說，這種PFC電路是由二極體、電阻、電容和電感等無源元件組成。無源PFC電路有很多類型，其中比較簡單的無源PFC電路由三隻二極體和兩隻電容組成，這種比較基礎的電路設計圖如下圖圖1所示。

接下來我們就以圖1中所展示的無源PFC電路設計圖為例，來為大家介紹一下這種PFC電路工作運行原理情況。從圖1中可以看到，當50Hz的AC線路電壓按正弦規律，由0向峰值Vm變化的1/4周期內，該系統的橋式整流器中，二極體VD2和VD3導通，與之相對應的是二極體VD1和VD4截止，此時電流對電容C1並經二極體VD6對C2充電。當VAC，瞬時值達到Vm，因C1=C2，故電容C1、C2上的電壓相同，均為二分之一Vm，當AC線路電壓從峰值開始下降時，電容C1通過負載和二極體VD5迅速放電，並且下降速率比AC電壓按正弦規律下降快得多，因此直到AC電壓瞬時值達到1/2Vm之前，二極體VD2和VD3一直導通。當瞬時AC電壓幅值小於1/2Vm時，電容C2通過VD7和負載放電。當AC輸入電壓瞬時值低於電路的DC總線電壓時，二極體VD2和VD3截止，此時AC電流不能通過整流二極體，於是IAC出現死區。在AC電壓的負半周開始後的一段時間內，VD1和VD4不會馬上導通。只有在AC瞬時電壓高於橋式整流輸出端的DC電壓時，VD1和VD4才能因正向偏置而導通。一旦二極體VD1和VD4導通，電容C1和C2再次被充電，於是出現與正半周類似的情況，此時我們可以得到圖2所示的AC線路輸入電壓VAC和電流IAC波形。 從下圖圖2所提供的輸入電壓和電流波形圖中我們可以看出，採用無源PFC電路取代單只電容濾波，整流二極體導通角明顯增大，且這一二極體導通角度明顯大於120°，而AC輸入電流波形則會變得平滑一些。在選擇C1=C2=10μF/400V的情況下，線路功率因數可達0.92~0.94，三次電流諧波僅約12%，五次諧波約18%，總諧波失真THD約28~30%。

在對無源PFC電路工作原理進行簡要的分析後我們可以看到，儘管這種低成本的PFC電路具有一定的優勢，但是其顯著缺點就是DC輸出電壓紋波較大，數值偏低，而且這種PFC的電流諧波成份不能完全達到低畸變要求，同時還會相應的增大電路設計的難度。這也就是為什麼近年來有源PFC設計越發佔據優勢的重要原因所在。