開關電源PFC及其工作原理(圖文)

什麼是功率因數補償，什麼是功率因數校正：

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/175590.htm

功率因數補償：在上世紀五十年代，已經針對具有感性負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方法(由於感性負載的電流滯後所加電壓，由於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電容器用以調整其該用電器具的電壓、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)。用電容器並連在感性負載，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後電壓的特性來使總的特性接近於阻性，從而改善效率低下的方法叫功率因數補償(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)。

圖1

在具有感性負載中供電線路中電壓和電流的波形

而在上世紀80年代起，用電器具大量的採用效率高的開關電源，由於開關電源都是在整流後用一個大容量的濾波電容，使該用電器具的負載特性呈現容性，這就造成了交流220V在對該用電器具供電時，由於濾波電容的充、放電作用，在其兩端的直流電壓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。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(1800)，整流二極體的導通角大大的小於1800甚至只有300-700，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的波形畸變(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)。

圖2

自從用電器具從過去的感性負載(早期的電視機、收音機等的電源均採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載後，其功率因素補償的含義不僅是供電的電壓和電流不同相位的問題，更為嚴重的是要解決因供電電流呈強脈衝狀態而引起的電磁幹擾(EMI)和電磁兼容(EMC)問題。

這就是在上世紀末發展起來的一項新技術(其背景源於開關電源的迅速發展和廣泛應用)。其主要目的是解決因容性負載導致電流波形嚴重畸變而產生的電磁幹擾(EMl)和電磁兼容(EMC)問題。所以現代的PFC技術完全不同於過去的功率因數補償技術，它是針對非正弦電流波形畸變而採取的，迫使交流線路電流追蹤電壓波形瞬時變化軌跡，並使電流和電壓保持同相位，使系統呈純電阻性技術(線路電流波形校正技術)，這就是PFC(功率因數校正)。

所以現代的PFC技術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

於以上原因，要求用電功率大於85W以上(有的資料顯示大於75W)的容性負載用電器具，必須增加校正其負載特性的校正電路，使其負載特性接近於阻性(電壓和電流波形同相且波形相近)。這就是現代的功率因數校正(PFC)電路。

容性負載的危害

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時間電壓達到最大值電流也達到最大值，在t3時間電壓為零電流為零。(二極體導通1800)

在(1800～3600)t3~t4:時間：二極體反偏無電壓及電流。(二極體截止)

在(3600～5400)t4～t6時間：t4時間電壓為零電流為零，在t5時間電壓達到最大值電流也達到最大值，在t6時間電壓為零電流為零。(二極體導通1800)

結論：在無濾波電容的整流電路中，供電電路的電壓和電流同相，二極體導通角為1800，對於供電線路來說，該電路呈現純阻性的負載特性。

A B

圖5

圖5A中D是整流管，R是負載，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時間電壓達到最大值電流也達到最大值，因為此時對負載R供電的同時還要對電容C 進行充電，所以電流的幅度比較大。在t1時間由於對電容C進行充電，電容上電壓Uc達到輸入交流電的峰值，由於電容上電壓不能突變，使在t1~t3期間，二極體右邊電壓為Uc，而左邊電壓在t2時間電壓由峰值逐漸下降為零，t1~t3期間二極體反偏截止，此期間電流為零。(增加濾波電容C後第一個交流電的正半周，二極體的導通角為900 )

在(1800～3600)t3～t4時間：二極體反偏無電壓及電流。(二極體截止)

在(3600～4100)t4～t5時間：由於在t3~t4時間二極體反偏，不對C充電，C上電壓通過負載放電，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期間儘管二極體左邊電壓在逐步上升，但是由於二極體右邊的Uc放電緩慢右邊的電壓Uc仍舊大於左邊，二極體仍舊反偏截止。

在(4100～5400)t5～t7時間：t5時間二極體左邊電壓上升到超過右邊電壓二極體導通對負載供電並對C充電，其流過二極體的電流較大，到了t6時間二極體左邊電壓又逐步下降，由於Uc又充電到最大值，二極體在t6~t7時間又進入反偏截止。

結論：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;在短時間內呈強脈衝狀態，極管導通角小於1800(根據負載R和濾波電容C的時間常數而決定)。該電路對於供電線路來說，由於在強電流脈衝的極短期間線路上會產生較大的壓降(對於內阻較大的供電線路尤為顯著)使供電線路的電壓波形產生畸變，強脈衝的高次諧波對其它的用電器具產生較強的幹擾。

怎樣進行功率因素校正：

功率因素校正(PFC)

我們目前用的電視機由於採用了高效的開關電源，而開關電源內部電源輸入部分，無一例外的採用了二極體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，現代的功率較大(大於85W)具有開關電源(容性負載)的用電器具，必須採用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

不使用電晶體等有源器件組成的校正電路。一般由二極體、電阻、電容和電感等無源器件組成，向目前國內的電視機生產廠對過去設計的功率較大的電視機，在整流橋堆和濾波電容之間加一隻電感(適當選取電感量)，利用電感上電流不能突變的特性來平滑電容充電強脈衝的波動，改善供電線路電流波形的畸變，並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、電磁兼容和電磁幹擾得以改善，如圖7。

圖7