PFC電路功能及原理

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2023-04-03 07:17:37 1057

1. PFC簡介

PFC(Power Factor Correction)又稱功率因數矯正，主要是對輸入電流的波形進行控制，使其與輸入電壓波形同步，提高功率因數，減少諧波含量，是能夠解決因容性負載導致電流波形嚴重畸變而產生的電磁干擾(EMl)和電磁兼容(EMC)問題。功率因數是指有功功率與視在功率（總耗電量）的比值。當功率因數越大，電力利用率越高。開關電源是一種電容輸入型電路，其電流和電壓之間相位差會造成交換功率的損失。

交流電在純電阻負載上電流和電壓是同相位的，即純電阻是消耗功率器件；交流電在純電容負載上電流超前電壓90°；交流電在純電感負載上電壓超前電流90°，電感和電容都是儲存功率的器件。

2. PFC電路分類及其作用

目前PFC有被動式PFC（無源PFC）以及主動式PFC(有源式PFC)。

1.被動式PFC有兩種類型：一種是電感補償式，在整流橋堆和濾波電容之間加入一個電感（適當選取電感量），其工作原理是利用電感減小交流輸入的基波電流與電壓的相位差，從而提高功率因數；另一種是填谷電路式，其工作原理是利用整流橋后面的填谷電路來增大整流管的導通角，通過填平谷點，使輸入電流從尖峰脈沖變為接近于正弦波的波形，該電路與電感補償式相比，具有電路簡單的優點，功率因數補償效果好。

2.主動式PFC由電感電容及其元器件組成，通過專用的IC去調整電流波形，對電流電壓間的相位差進行補償，主動式PFC可用作輔助電源，而且其輸出直流電壓紋波很小。

3. PFC電路基本結構和工作原理

3.1 容性負載對供電電壓以及電流的影響

開關電源都是利用整流電路后的一個大電容進行濾波的，這使得電路的負載特性為容性，由于濾波電容的充放電特性，使電容兩端的輸出電壓波形為鋸齒波的紋波，所以電容兩端的最小電壓并不為零，最大電壓為鋸齒波的峰值。

由于整流橋二極管的單向導電的特性，當AC線路的電壓的瞬時值小于電容兩端的電壓時，整流二極管反向偏置截止，當AC線路的電壓瞬時值大于電容兩端的電壓時，整流二極管正向導通。因此，AC側的輸入電流呈現高幅值的尖峰脈沖。電流的導通角太小，要提高功率因數就要設法電流的波形在整個周期內能夠追蹤到電壓的波形。

3.2 PFC負載的基本結構

由以上的內容可知，造成電流的導通角太小的原因是在整流橋后面接入了一個大容量的濾波電容，有源的PFC電路的基本思想是在整流橋和大容量的濾波電容之間加入PFC開關電源，把整流橋和大容量電容隔離開，PFC輸出一個基本穩定的DC電壓，通過開關管的導通使輸入電流能和市電一樣呈正弦波變化。

PFC電路有三種工作模式：連續導通模式（Continuoous Conduction Mode,CCM），不連續導通模式（Discontinuous Conduction Mode，DCM），臨界導通模式（Critical Conduction Mode，CRM/Boundary Conduction Mode,BCM）。

圖三峰值電流控制模式的 DCM PFC

為了維持整流二極管的導通，維護濾波電容的充電狀態以及改善輸入電流，因此PFC大部分都是采用升壓的BOOST拓撲結構。因此，PFC輸出電壓高于交流輸入端的峰值電壓。例如，假設在理想條件下（無干擾），交流供電220V，其峰值為220V，故PFC電壓要在220V以上，這樣PFC能夠始終從輸入側吸收電能，給濾波電容充電，維持整流二極管導通，解決整流二極管斷續通斷以及輸出電流呈尖脈沖問題。

PFC電路中的MOS開關管導通，電感L儲存能量，MOS開關管截止時，電感L電壓左負右正，將導通時儲存的能量通過升壓二極管D1對濾波電容充電。由于電感L和電容C是串聯的，電感L上的電流不能突變，這就對濾波電容C的浪涌電流起到了限制的作用。

因為開關管是在電感電流不為零的情況下關斷的，這時候D1需要承受很大的應力，要求二極管有極低甚至為零的反向恢復電流，因此升壓二極管D1采用快恢復二極管。由于減小反向恢復電流和提高浪涌電流承受的能力是相互牽制的，所以快恢復二極管能夠承受浪涌電流的能力弱，然而保護二極管D2采用普通的二極管，承受浪涌電流很強。每次電源開關接通瞬間加在電感兩端的電壓可以是交流正弦波的任意瞬時值，當為正弦波的峰值時，會造成浪涌電壓，此時，保護二極管D2導通，使通過電感L的電流大大的減小，降低電感L和升壓二極管的浪涌沖擊。

保護二極管第二個作用就是保護MOS開關管。開開機瞬間，濾波電容電壓尚未建立，如果開機的電壓又恰好是正弦波的最大值，濾波電容正在充電，流過電感L的電流會很大，甚至會造成磁飽和，如果這時候PFC電路中的開關管正在工作，因為開關管是在零電流關閉，在磁飽和的情況下，流過開關管的電流不受控制，會燒壞開關管，

針對此問題，以下有兩種措施：*種是控制PFC的工作時序，當濾波電容充電完成后，再啟動PFC電路；第二種是如上圖所示，在電感L和升壓二極管D1上并聯一個普通二極管，大電壓開機瞬間給濾波電容提供另一條支流充電，防止電感L磁飽和以及開關管過流。

DCM PFC 的控制方式

圖四 DCM PFC 各點的動作波形

CCM PFC 的控制方式

圖五平均電流控制模式的升壓型電路

圖六平均電流控制模式升壓型電路之各點波形

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