開關(guān)電源PFC及其工作原理(圖文)

什么是功率因數(shù)補(bǔ)償，什么是功率因數(shù)校正：

功率因數(shù)補(bǔ)償：在上世紀(jì)五十年代，已經(jīng)針對(duì)具有感性負(fù)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(jìn)方法(由于感性負(fù)載的電流滯后所加電壓，由于電壓和電流的相位不同使供電線路的負(fù)擔(dān)加重導(dǎo)致供電線路效率下降，這就要求在感性用電器具上并聯(lián)一個(gè)電容器用以調(diào)整其該用電器具的電壓、電流相位特性，例如：當(dāng)時(shí)要求所使用的40W日光燈必須并聯(lián)一個(gè)4.75μF的電容器)。用電容器并連在感性負(fù)載，利用其電容上電流超前電壓的特性用以補(bǔ)償電感上電流滯后電壓的特性來使總的特性接近于阻性，從而改善效率低下的方法叫功率因數(shù)補(bǔ)償(交流電的功率因數(shù)可以用電源電壓與負(fù)載電流兩者相位角的余弦函數(shù)值cosφ表示)。

圖1

在具有感性負(fù)載中供電線路中電壓和電流的波形

而在上世紀(jì)80年代起，用電器具大量的采用效率高的開關(guān)電源，由于開關(guān)電源都是在整流后用一個(gè)大容量的濾波電容，使該用電器具的負(fù)載特性呈現(xiàn)容性，這就造成了交流220V在對(duì)該用電器具供電時(shí)，由于濾波電容的充、放電作用，在其兩端的直流電壓出現(xiàn)略呈鋸齒波的紋波。濾波電容上電壓的最小值遠(yuǎn)非為零，與其最大值(紋波峰值)相差并不多。根據(jù)整流二極管的單向?qū)щ娦?，只有在AC線路電壓瞬時(shí)值高于濾波電容上的電壓時(shí)，整流二極管才會(huì)因正向偏置而導(dǎo)通，而當(dāng)AC輸入電壓瞬時(shí)值低于濾波電容上的電壓時(shí)，整流二極管因反向偏置而截止。也就是說，在AC線路電壓的每個(gè)半周期內(nèi)，只是在其峰值附近，二極管才會(huì)導(dǎo)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沖，如圖2所示。這種嚴(yán)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(shù)嚴(yán)重下降。

在正半個(gè)周期內(nèi)(1800)，整流二極管的導(dǎo)通角大大的小于1800甚至只有300-700，由于要保證負(fù)載功率的要求，在極窄的導(dǎo)通角期間會(huì)產(chǎn)生極大的導(dǎo)通電流，使供電電路中的供電電流呈脈沖狀態(tài)，它不僅降低了供電的效率，更為嚴(yán)重的是它在供電線路容量不足，或電路負(fù)載較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的交流電壓的波形畸變(圖3)，并產(chǎn)生多次諧波，從而，干擾了其它用電器具的正常工作(這就是電磁干擾-EMI和電磁兼容-EMC問題)。

圖2

自從用電器具從過去的感性負(fù)載(早期的電視機(jī)、收音機(jī)等的電源均采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(fù)載后，其功率因素補(bǔ)償?shù)暮x不僅是供電的電壓和電流不同相位的問題，更為嚴(yán)重的是要解決因供電電流呈強(qiáng)脈沖狀態(tài)而引起的電磁干擾(EMI)和電磁兼容(EMC)問題。

這就是在上世紀(jì)末發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)(其背景源于開關(guān)電源的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用)。其主要目的是解決因容性負(fù)載導(dǎo)致電流波形嚴(yán)重畸變而產(chǎn)生的電磁干擾(EMl)和電磁兼容(EMC)問題。所以現(xiàn)代的PFC技術(shù)完全不同于過去的功率因數(shù)補(bǔ)償技術(shù)，它是針對(duì)非正弦電流波形畸變而采取的，迫使交流線路電流追蹤電壓波形瞬時(shí)變化軌跡，并使電流和電壓保持同相位，使系統(tǒng)呈純電阻性技術(shù)(線路電流波形校正技術(shù))，這就是PFC(功率因數(shù)校正)。

所以現(xiàn)代的PFC技術(shù)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

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

容性負(fù)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(jù)這兩個(gè)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(fù)載。圖4B是該電路接入交流電時(shí)電路中電壓、電流波形圖，

在(00～1800)t0~t3時(shí)間：t1時(shí)間電壓為零電流為零，在t1時(shí)間電壓達(dá)到最大值電流也達(dá)到最大值，在t3時(shí)間電壓為零電流為零。(二極管導(dǎo)通1800)

在(1800～3600)t3~t4:時(shí)間：二極管反偏無電壓及電流。(二極管截止)

在(3600～5400)t4～t6時(shí)間：t4時(shí)間電壓為零電流為零，在t5時(shí)間電壓達(dá)到最大值電流也達(dá)到最大值，在t6時(shí)間電壓為零電流為零。(二極管導(dǎo)通1800)

結(jié)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，二極管導(dǎo)通角為1800，對(duì)于供電線路來說，該電路呈現(xiàn)純阻性的負(fù)載特性。

A B

圖5

圖5A中D是整流管，R是負(fù)載，C是濾波電容。圖5B是該電路接入交流電時(shí)電路中電壓、電流波形圖。

在(00～1800)t0～t3時(shí)間：t1時(shí)間電壓為零電流為零，在t1時(shí)間電壓達(dá)到最大值電流也達(dá)到最大值，因?yàn)榇藭r(shí)對(duì)負(fù)載R供電的同時(shí)還要對(duì)電容C 進(jìn)行充電，所以電流的幅度比較大。在t1時(shí)間由于對(duì)電容C進(jìn)行充電，電容上電壓Uc達(dá)到輸入交流電的峰值，由于電容上電壓不能突變，使在t1~t3期間，二極管右邊電壓為Uc，而左邊電壓在t2時(shí)間電壓由峰值逐漸下降為零，t1~t3期間二極管反偏截止，此期間電流為零。(增加濾波電容C后第一個(gè)交流電的正半周，二極管的導(dǎo)通角為900 )

在(1800～3600)t3～t4時(shí)間：二極管反偏無電壓及電流。(二極管截止)

在(3600～4100)t4～t5時(shí)間：由于在t3~t4時(shí)間二極管反偏，不對(duì)C充電，C上電壓通過負(fù)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期間盡管二極管左邊電壓在逐步上升，但是由于二極管右邊的Uc放電緩慢右邊的電壓Uc仍舊大于左邊，二極管仍舊反偏截止。

在(4100～5400)t5～t7時(shí)間：t5時(shí)間二極管左邊電壓上升到超過右邊電壓二極管導(dǎo)通對(duì)負(fù)載供電并對(duì)C充電，其流過二極管的電流較大，到了t6時(shí)間二極管左邊電壓又逐步下降，由于Uc又充電到最大值，二極管在t6~t7時(shí)間又進(jìn)入反偏截止。

結(jié)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(shí)間內(nèi)呈強(qiáng)脈沖狀態(tài)，極管導(dǎo)通角小于1800(根據(jù)負(fù)載R和濾波電容C的時(shí)間常數(shù)而決定)。該電路對(duì)于供電線路來說，由于在強(qiáng)電流脈沖的極短期間線路上會(huì)產(chǎn)生較大的壓降(對(duì)于內(nèi)阻較大的供電線路尤為顯著)使供電線路的電壓波形產(chǎn)生畸變，強(qiáng)脈沖的高次諧波對(duì)其它的用電器具產(chǎn)生較強(qiáng)的干擾。

怎樣進(jìn)行功率因素校正：

功率因素校正(PFC)

我們目前用的電視機(jī)由于采用了高效的開關(guān)電源，而開關(guān)電源內(nèi)部電源輸入部分，無一例外的采用了二極管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(shù)，現(xiàn)代的功率較大(大于85W)具有開關(guān)電源(容性負(fù)載)的用電器具，必須采用PFC措施，PFC有;有源PFC和無源PFC兩種方式。

目前部分CRT廠家 對(duì)部分電視機(jī)的改進(jìn)

不使用晶體管等有源器件組成的校正電路。一般由二極管、電阻、電容和電感等無源器件組成，向目前國(guó)內(nèi)的電視機(jī)生產(chǎn)廠對(duì)過去設(shè)計(jì)的功率較大的電視機(jī)，在整流橋堆和濾波電容之間加一只電感(適當(dāng)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(qiáng)脈沖的波動(dòng)，改善供電線路電流波形的畸變，并且在電感上電壓超前電流的特性也補(bǔ)償濾波電容電流超前電壓的特性，使功率因數(shù)、電磁兼容和電磁干擾得以改善，如圖7。

圖7