開關(guān)電源功率因素校正(PFC)及原理

1、郝銘 李方建一、什么是功率因素補(bǔ)償，什么是功率因素校正：功率因素補(bǔ)償：在上世紀(jì)五十年代，已經(jīng)針對(duì)因具有感性負(fù)載的交流用電器具的電壓和電流不同相（圖1）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，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)4.75F的電容器）。用電容器并聯(lián)在感性負(fù)載的兩端，利用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，使總的特性接近于阻性，從而改善效率低下的方法叫做功率因素補(bǔ)償（交流電的功

2、率因素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cos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從上世紀(jì)80年代起，用電器具大量采用效率高的開關(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上出現(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

3、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，引起線路功率因素嚴(yán)重下降。在正半個(gè)周期內(nèi)（180º），整流二極管的導(dǎo)通角大大小于180º，甚至只有30º70º；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)重的交流電壓波形畸變（圖3），并產(chǎn)生多次諧波，從而

4、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 全波整流電壓和AC輸入電流波形自從用電器具從過去的感性負(fù)載（早期電視機(jī)、收音機(jī)等的電源均是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

5、因素補(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)呈純電阻性的技術(shù)（線路電流波形校正技術(shù)），這就是PFC（功率因素校正）。所以現(xiàn)代的PFC技術(shù)既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 正常供電電壓波形和接入容性負(fù)載后電壓波形畸變由于以上原因，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)代的功率因素校正（PFC）電路。二、怎樣進(jìn)行功率因素校正：1、功率因素校正：（PFC）我們目前使

6、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4A所示，其電壓和電流波形如圖4B所示。A B圖4 全橋整流濾波電路及電壓和電流波形圖為了抑制電流波形的畸變及提高功率因素，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分為有源PFC和無源PFC兩種方式。2、無源PFC電路：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。目前國(guó)內(nèi)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

7、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，并且利用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，使功率因素、電磁兼容和電磁干擾得以改善，如圖5所示。圖5 無源PFC電路此種方式還不能稱為真正的無源PFC電路，只是一種簡(jiǎn)單的補(bǔ)償措施，可以應(yīng)用在前期設(shè)計(jì)的無PFC功能的設(shè)備上，簡(jiǎn)單的增加一個(gè)合適的電感（適當(dāng)選取L和C的值），從而達(dá)到具有抑制電流瞬時(shí)突變的目的；但是這種簡(jiǎn)單的、低成本的補(bǔ)救方法，輸出紋波較大，濾波電容兩端的直流電壓也較低，電流畸變的校正及功率因素補(bǔ)償?shù)哪芰Χ己懿?，而且L的繞制及鐵芯的質(zhì)量控制不好，會(huì)對(duì)圖像及伴音產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾，只能是對(duì)于前期無PFC設(shè)備使之能進(jìn)

8、入市場(chǎng)的臨時(shí)措施。3、有源PFC電路的原理：有源PFC電路則有很好的效果，基本上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，它基本上完全解決了功率因素、電磁兼容、電磁干擾的問題，但是電路非常的復(fù)雜。其基本思路是在220V整流橋堆后去掉濾波電容（以消除因電容充電造成的電流波形畸變及相位變化），由一個(gè)“斬波”電路把脈動(dòng)的直流變成高頻（約100KHz）交流經(jīng)過整流濾波后，其直流電壓再向常規(guī)的PWM開關(guān)穩(wěn)壓電源供電，其過程是ACDCACDC。有源PFC電路的基本原理是在開關(guān)電源的整流電路和濾波電容之間增加一個(gè)DCDC的斬波電路，如圖8所示（斬波電路等于附加一個(gè)開關(guān)電源）。對(duì)于供電

9、線路來說，該整流電路輸出沒有直接接濾波電容，所以其對(duì)于供電線路來說呈現(xiàn)的是純阻性的負(fù)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于一個(gè)開關(guān)電源，所以說有源PFC開關(guān)電源就是一個(gè)雙開關(guān)電源的開關(guān)電源電路，它是由斬波器（我們以后稱它為：“PFC開關(guān)電源”）和穩(wěn)壓開關(guān)電源（我們以后稱它為：“PWM開關(guān)電源”）組成的。圖6 有源PFC電路4、斬波器部分：（PFC開關(guān)電源）整流二極管整流以后不加濾波電容器，把未經(jīng)濾波的脈動(dòng)正半周電壓作為斬波器的供電電源，由于斬波器一連串做“開關(guān)”工作脈動(dòng)的正電壓被“斬”成圖7所示的電流波形，其波形的特點(diǎn)：（1）電流波形是斷續(xù)的，其包絡(luò)線和電壓波形相同，并且包

10、絡(luò)線和電壓波形相位同相；（2）由于斬波作用，半波脈動(dòng)的直流電變成高頻（由斬波頻率決定，約100KHz）“交流”電，該高頻“交流”電要再次經(jīng)過整流才能被后級(jí)PWM開關(guān)穩(wěn)壓電源使用；（3）從外供電總的看，該用電系統(tǒng)做到了交流電壓和交流電流同相，并且電壓波形和電流波形均符合正弦波形，既解決了功率因素補(bǔ)償問題，也解決了電磁兼容（EMC）和電磁干擾（EMI）問題。該高頻“交流”電再經(jīng)過整流二極管整流，并經(jīng)過濾波變成直流電壓（電源）向后級(jí)的PWM開關(guān)電源供電，該直流電壓在某些資料上把它稱為B+PFC（海信等離子TPW4211即是如此）。斬波器輸出的B+PFC電壓一般高于原220V交流整流濾波后的+300V

11、，其原因是選用高電壓、電感的線徑小、線路壓降小、濾波電容容量小、濾波效果好，對(duì)后級(jí)PWM開關(guān)管要求低等等諸多好處。黑色實(shí)線為電壓波形 紅色虛線為電流包絡(luò)波形圖7 斬波器輸出的電壓和電流波形圖5、目前PFC開關(guān)電源部分，起到開關(guān)作用的斬波管（K）有兩種工作方式：（1）連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）：開關(guān)管的工作頻率一定，而導(dǎo)通的占空比（系數(shù)）隨被斬波電壓的幅度變化而變化，如圖8所示。圖中T1和T2的位置：T1在被斬波電壓（半個(gè)周期）的低電壓區(qū)，T2在被斬波電壓的高電壓區(qū)，T1（時(shí)間）T2（時(shí)間）。從圖中可以看到，所有的開關(guān)周期時(shí)間都相等，這說明在被斬波電壓的任何幅度時(shí)，斬波管的工作頻率不變。從圖10中可

12、以看出，在高電壓區(qū)和低電壓區(qū)，每個(gè)斬波周期內(nèi)的占空比不同（T1和T2的時(shí)間相同，而上升脈沖的寬度不同），被斬波電壓為零時(shí)（無電壓），斬波頻率仍然不變，所以稱為連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM），該種模式一般應(yīng)用在250W2000W的設(shè)備上。圖8 連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）（2）不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）：斬波開關(guān)管的工作頻率隨被斬波電壓的大小變化，每一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)“開”、“關(guān)”的時(shí)間相等，如圖9所示。T1和T2時(shí)間不同，也反映隨著電壓幅度的變化其斬波頻率也相應(yīng)變化；被斬波電壓為“零”時(shí)，開關(guān)停止（振蕩停止），所以稱為不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM），即有輸入電壓斬波管工作，無輸入電壓斬波管不工作。它一般應(yīng)用在250W以

13、下的小功率設(shè)備上，例如：海信TLM3277液晶電視接收機(jī)開關(guān)電源的PFC部分即工作在DCM模式。T1T2T3圖9 不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）（3）臨界導(dǎo)通模式（CRM）或過渡模式（TCM）：工作介于CCM和DCM之間，工作更接近DCM模式。在上一個(gè)導(dǎo)通周期結(jié)束后，下一個(gè)導(dǎo)通周期之前，電感電流將衰減為零，而且頻率隨著線路電壓和負(fù)載的變化而變化。優(yōu)點(diǎn)：廉價(jià)芯片、便于設(shè)計(jì)，沒有開關(guān)的導(dǎo)通損耗，升壓二極管的選擇并非決定性的；缺點(diǎn)：由于頻率變化，存在潛在的EMI問題，需要一個(gè)設(shè)計(jì)精確的輸入濾波器。6、開關(guān)穩(wěn)壓電源部分：（PWM開關(guān)電源）該開關(guān)穩(wěn)壓電源（PWM）是整個(gè)具有PFC功能開關(guān)電源的一部分，其工作原理及穩(wěn)壓性能和普通的電視機(jī)開關(guān)穩(wěn)壓電源一樣，所不同的是普通開關(guān)穩(wěn)壓電源供電是由交流220V整流供電，而此開關(guān)電源供電是由B+PFC供電（B+PFC選取的是+380V）。目前應(yīng)用的具有功率因素校正開關(guān)電源中，PFC開關(guān)