PFC簡(jiǎn)介

　　PFC的英文全稱為“PowerFactorCorrection”，意思是“功率因數(shù)校正”，作用是對(duì)輸入電流波形進(jìn)行控制，使其同步輸入電壓波形。功率因數(shù)指的是有效功率與總耗電量（視在功率）之間的關(guān)系，也就是有效功率除以總耗電量（視在功率）的比值。基本上功率因素可以衡量電力被有效利用的程度，當(dāng)功率因素值越大，代表其電力利用率越高。開關(guān)電源是一種電容輸入型電路，其電流和電壓之間的相位差會(huì)造成交換功率的損失，此時(shí)便需要PFC電路提高功率因數(shù)。目前的PFC有兩種，一種為被動(dòng)式PFC（也稱無源PFC）和主動(dòng)式PFC（也稱有源式PFC）。

　　PFC電路分類與作用

　　1、被動(dòng)式PFC

　　被動(dòng)式PFC一般分“電感補(bǔ)償式”和“填谷電路式（ValleyFillCircuit）”“電感補(bǔ)償方法”是使交流輸入的基波電流與電壓之間相位差減小來提高功率因數(shù)，被動(dòng)式PFC包括靜音式被動(dòng)PFC和非靜音式被動(dòng)PFC。被動(dòng)式PFC的功率因數(shù)只能達(dá)到0.7～0.8，它一般在高壓濾波電容附近。“

　　填谷電路式”屬于一種新型無源功率因數(shù)校正電路，其特點(diǎn)是利用整流橋后面的填谷電路來大幅度增加整流管的導(dǎo)通角，通過填平谷點(diǎn)，使輸入電流從尖峰脈沖變?yōu)榻咏谡也ǖ牟ㄐ危瑢⒐β室驍?shù)提高到0.9左右，顯著降低總諧波失真。與傳統(tǒng)的電感式無源功率因數(shù)校正電路相比，其優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，功率因數(shù)補(bǔ)償效果顯著，并且在輸入電路中不需要使用體積大重量沉的大電感器。

　　2、主動(dòng)式PFC

　　主動(dòng)式PFC則由電感電容及電子元器件組成，體積小、通過專用IC去調(diào)整電流的波形，對(duì)電流電壓間的相位差進(jìn)行補(bǔ)償。主動(dòng)式PFC可以達(dá)到較高的功率因數(shù)──通常可達(dá)98%以上，但成本也相對(duì)較高。此外，主動(dòng)式PFC還可用作輔助電源，因此在使用主動(dòng)式PFC電路中，往往不需要待機(jī)變壓器，而且主動(dòng)式PFC輸出直流電壓的紋波很小，這種電源不必采用很大容量的濾波電容。

　　解析pfc電路基本結(jié)構(gòu)和工作原理

　　圖1為未加入PFC電路的整流電路的原理方框圖，圖2為工作波形。通過分析，我們可以看出．未加入PFC電路的整流電路穩(wěn)定工作以后，只有在市電電壓的正負(fù)峰值附近二極管才導(dǎo)通，產(chǎn)生脈沖電流。造成離線電源功率因數(shù)降低的原因在于電流的導(dǎo)通角太小，在半個(gè)周期內(nèi)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于180°，提高功率因數(shù)就要設(shè)法使電流的波形在整個(gè)周期內(nèi)追蹤電壓的波形。

　　既然造成導(dǎo)通角太小的原因是整流器后面接人的大容量濾波電容，有源PFC電路基本思想就是在整流器和大容量濾波電容之間加入一級(jí)初級(jí)調(diào)整，把兩者進(jìn)行隔離，此PFC初級(jí)調(diào)整變換器輸出一個(gè)基本穩(wěn)定的DC電壓，同時(shí)其輸入電流能按照和市電一樣的正弦規(guī)律變化。

　　圖3所示電路為加入PFC電路的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。通過比較，我們可以比較明確看出PFC電路在電源電路結(jié)構(gòu)中的位置和作用。盡管PFC電路的具體形式繁多，不盡相同，工作模式也不一樣（CCM電流連續(xù)型、DCM不連續(xù)型、CRM臨界型），但基本的結(jié)構(gòu)大同小異，大部分都是采用升壓的boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@種電路形式優(yōu)點(diǎn)比較多。這也是一種典型的升壓開關(guān)電路，基本的思想就是前面說的把整流電路和大濾波電容分割，通過控制PFC開關(guān)管的導(dǎo)通使輸入電流能跟蹤輸入電壓的變化。工作原理并不復(fù)雜，徹底搞清楚這個(gè)基本電路的原理，就能觸類旁通，給獨(dú)立分析電路打下基礎(chǔ)。在這個(gè)電路中，PFC電感L在MOS開關(guān)管0導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存能量，在開關(guān)管截止時(shí)，電感L上感應(yīng)出右正左負(fù)的電壓，將導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的能量通過升壓二極管Dl對(duì)大的濾波電容充電，輸出能量，只不過其輸入的電壓是沒有經(jīng)過濾波的脈動(dòng)電壓。值得注意的是，平板電視大部分PFC電感L上大都并聯(lián)著一個(gè)二極管D2，該二極管D2具有保護(hù)作用。

　　大家知道：PFC電路后面大的儲(chǔ)能濾波電容C和PFC電感L是串聯(lián)的，由于電感L上的電流不能突變，就對(duì)大的濾波電容C的浪涌電流起了限制作用。

　　并聯(lián)保護(hù)分流二極管D2．由于沒有電感的限制作用，對(duì)濾波電容的沖擊反而會(huì)更大，但它可以保護(hù)升壓二圾管，特別是PFC開關(guān)管。D1是快速恢復(fù)二極管（由于開關(guān)管是在電感電流不為零的時(shí)候關(guān)斷的，需要承受更大的應(yīng)力，要求二極管有極低甚至為零的反向恢復(fù)電流），承受浪涌電流的能力較弱。減小反向恢復(fù)電流和提高浪涌電壓承載力是相互牽制的，而D2所采用的是普通的整流二極管，承受浪涌電流的能力很強(qiáng)，如1N5407的額定電流3A．浪涌電流可達(dá)200A。

　　該保護(hù)二極管D2表面上降低的是對(duì)PFC電感和升壓二極管的浪涌沖擊，但實(shí)際上還有一個(gè)重要的作用：保護(hù)PFC開關(guān)管。

　　在開機(jī)的瞬間，濾波電容的電壓尚未建立，由于要對(duì)大電容充電．通過PFC電感的電流相對(duì)比較大。如果在電源開關(guān)接通的瞬間是在正弦波的最大值時(shí)，對(duì)電容充電的過程中PFC電感L有可能會(huì)出現(xiàn)磁飽和的情況，此時(shí)PFC電路工作就麻煩了，在磁飽和的情況下，流過PFC開關(guān)管的電流就會(huì)失去限制，燒壞開關(guān)管。為防止悲劇發(fā)生，一種方法是對(duì)PFC電路工作的工作時(shí)序加以控制，即當(dāng)對(duì)大電容的充電完成以后，再啟動(dòng)PFC電路：另一種比較簡(jiǎn)單的辦法就是在PFC線圈到升壓二極管上并聯(lián)一只二極管旁路。啟動(dòng)的瞬間，給大電容的充電提供另一個(gè)支路，防止大電流流過PFC線圈造成飽和，過流損壞開關(guān)管，

　　保護(hù)開關(guān)管，同時(shí)該保護(hù)二極管D2也分流了升壓二極管D1上的電流，保護(hù)了升壓二極管。另外，D2的加入使得對(duì)大電容充電過程加快．其上的電壓及時(shí)建立，也能使PFC電路的電壓反饋環(huán)路及時(shí)工作，減小開機(jī)時(shí)PFC開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間．使PFC電路盡快正常工作。‘所以，綜上所述，以上電路中二極管D2的作用是在開機(jī)瞬間或負(fù)載短路、PFC輸出電壓低于輸入電壓的非正常狀況下給電容提供充電路徑，防止PFC電感磁飽和對(duì)PFCMOS管造成的危險(xiǎn)，同時(shí)也減輕了PFC電感和升壓二極管的負(fù)擔(dān)，起到保護(hù)作用。在開機(jī)正常工作以后，由于D2右面為B+PFC輸出電壓，電壓比左面高，D2呈反偏截止?fàn)顟B(tài)，對(duì)電路的工作沒有影響，D2可選用可承受較大浪涌電流的普通大電流的整流二極管。在有些電源中，PFC后面的電容容量不大，也有的沒有接入保護(hù)二極管D2，但如果PFC后面是使用大容量的濾波電容，此二極管是不能減少的，對(duì)電路的安全性有著重要的意義。

　　有源PFC在現(xiàn)代逆變電源中的應(yīng)用

　　帶有PFC功能的逆變器構(gòu)成方案

　　具有功率因數(shù)校正功能的逆變器構(gòu)成方案通常有三種：三級(jí)構(gòu)成方案Ⅰ、三級(jí)構(gòu)成方案Ⅱ和兩級(jí)構(gòu)成方案。

　　1.三級(jí)構(gòu)成方案Ⅰ

　　其結(jié)構(gòu)如圖3所示。第一級(jí)是50Hz工頻變壓器，用來實(shí)現(xiàn)電氣隔離功能，從而保證電源設(shè)備的安全性，免受來自高壓饋電線的危險(xiǎn)。第二級(jí)是功率因數(shù)校正電路，用來強(qiáng)迫線電流跟隨線電壓，使線電流正弦化，提高功率因數(shù)，減少諧波含量，其輸出是400V左右的高壓直流。第三級(jí)是DC-AC模塊，用來實(shí)現(xiàn)逆變功能，即通過控制逆變電路的工作頻率和輸出時(shí)間比例，使逆變器的輸出電壓或電流的頻率和幅值按照人們的意愿或設(shè)備工作的要求來靈活地變化。

　　這是一種較早采用的方案，技術(shù)也比較成熟，其主要優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)較為容易。主要缺點(diǎn)是電能經(jīng)過三級(jí)變換，降低了逆變器的可靠性和效率；工頻隔離變壓器體積龐大、笨重、耗費(fèi)材料多；PFC級(jí)的輸出，即DC-AC的輸入為400V左右的高壓直流電，這就對(duì)許多需要逆變級(jí)具有低壓輸入的應(yīng)用場(chǎng)合產(chǎn)生了限制。比如鐵路用逆變器和航空用逆變器等多個(gè)重要的逆變器應(yīng)用領(lǐng)域都需要110V的正弦交流電輸出，若采用這種構(gòu)成方案，則不僅可靠性難以得到保證，而且逆變器的效率會(huì)進(jìn)一步降低，一般不會(huì)超過80%。

　　2.三級(jí)構(gòu)成方案Ⅱ

　　其結(jié)構(gòu)如圖4所示。第一級(jí)是PFC級(jí)，其結(jié)構(gòu)功能與三級(jí)構(gòu)成方案Ⅰ中的PFC電路相同。第二級(jí)是DC-DC級(jí)，用來調(diào)節(jié)PFC輸出電壓和實(shí)現(xiàn)電氣隔離。第三級(jí)是DC-AC模塊，其結(jié)構(gòu)功能與三級(jí)構(gòu)成方案Ⅰ中的DC-AC電路相同。這是目前應(yīng)用較多的一種方案，是中大功率應(yīng)用的最佳選擇。

　　這種方案的主要優(yōu)點(diǎn)是去掉了笨重龐大的工頻變壓器；每一級(jí)均有各自的控制環(huán)節(jié)，使得該電路具有良好的性能；DC-AC的輸入電壓可根據(jù)逆變輸出的不同要求進(jìn)行調(diào)整，適用于各種功率場(chǎng)合，效率較三級(jí)構(gòu)成方案Ⅰ有所提高。缺點(diǎn)是各級(jí)都需要一套獨(dú)立的控制電路，增加了器件數(shù)目和控制電路的復(fù)雜性；由于電能同樣經(jīng)過三級(jí)變換，使得逆變器的可靠性和效率仍然不能令人滿意。

　　3.兩級(jí)構(gòu)成方案

　　針對(duì)以上兩種方案的不足，人們提出了一種兩級(jí)構(gòu)成方案。該方案將三級(jí)構(gòu)成方案Ⅱ中的前兩級(jí)合并為一級(jí)，使PFC和DC-DC級(jí)共用開關(guān)管和控制電路（如圖5所示），并通過高頻變壓器得到可調(diào)PFC輸出直流電壓，實(shí)現(xiàn)電氣隔離，如圖5所示。這種方案保持了三級(jí)構(gòu)成方案Ⅱ中的優(yōu)點(diǎn)，而且改進(jìn)了三級(jí)構(gòu)成方案Ⅱ的不足之處。總之，可靠性高、效率高、成本低是這種逆變器構(gòu)成方案最顯著的優(yōu)點(diǎn)。

　　結(jié)論

　　將這三種逆變器的構(gòu)成方案進(jìn)行比較后不難發(fā)現(xiàn)，它們的逆變部分結(jié)構(gòu)和功能完全相同，區(qū)別僅在于整流環(huán)節(jié)，即通過不同方法產(chǎn)生經(jīng)隔離和功率因數(shù)校正后的（可調(diào)）直流電壓，來作為逆變級(jí)的輸入。由于單級(jí)PFC電路將PFC級(jí)和DC-DC級(jí)結(jié)合在一起，能量只被處理一次，用一個(gè)控制器就能完成輸入PFC和輸出電壓調(diào)節(jié)功能，因此非常適用于逆變電源的前級(jí)整流環(huán)節(jié)。采用單級(jí)PFC電路的逆變器具有更高的可靠性，更高的效率和更低的成本。所以，帶單級(jí)PFC電路的兩級(jí)逆變技術(shù)成為電力電子領(lǐng)域研究的一個(gè)熱門課題。

　　盡管單級(jí)PFC電路具有上述優(yōu)點(diǎn)，但是與傳統(tǒng)的兩級(jí)式PFC變換器相比，它要承受更高的電壓應(yīng)力，有更多的功率損耗。這些問題在開關(guān)頻率較高時(shí)顯得尤為突出，影響了變換器工作的可靠性和開關(guān)頻率的進(jìn)一步提高，也限制了其在大功率場(chǎng)合的應(yīng)用。為此，近些年又提出了各種軟開關(guān)技術(shù)，如零電流開關(guān)（ZCS）、零電壓開關(guān)（ZVS）、零電壓轉(zhuǎn)換-脈寬調(diào)制（ZVT-PWM）、零電流轉(zhuǎn)換-脈寬調(diào)制（ZCT-PWM）等，有效地解決了這些問題，使得單級(jí)PFC電路在逆變電源系統(tǒng)中具有了更廣闊的應(yīng)用前景。

　　因此在現(xiàn)代逆變電源系統(tǒng)中，功率因數(shù)校正電路是一個(gè)不可或缺的重要組成部分。功率因數(shù)校正可以分為無源功率因數(shù)校正技術(shù)（Passive PFC）和有源功率因數(shù)校正技術(shù)（Active PFC）。無源功率因數(shù)校正技術(shù)是采用無源器件，如電感和電容組成得諧振濾波器來實(shí)現(xiàn)PFC功能；有源功率因數(shù)校正技術(shù)則采用了有源器件，如開關(guān)管和控制電路來實(shí)現(xiàn)PFC功能。現(xiàn)代逆變電源系統(tǒng)應(yīng)用的多為有源功率因數(shù)校正技術(shù)，可以將輸入電流校正成與輸入電壓同相的正弦波，將功率因數(shù)提高至接近1。

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