開關(guān)電源功率因素校正(PFC)及原理

1、開關(guān)電源功率因素較正（PFC及其工作原理郝銘 李方建一、什么是功率因素補償，什么是功率因素校正：功率因素補償：在上世紀(jì)五十年代，已經(jīng)針對因具有感性負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，提出了改進方法（由于感性負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)時要求所使用的40W日光燈必須并聯(lián)一個 4.75疔的電容器）。用電容器并聯(lián)在感 性負載的兩端，利用電容上電流超前電壓的特性，用以補償電感上電流滯后電壓的特性， 使總的特性接近于阻性，從

2、而改善效率低下的方法叫做功率因素補償（交流電的功率因素 可以用電源電壓與負載電流兩者相位角的余弦函數(shù)值cos©表示）。電壓波形電流波形從上世紀(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，用一個大容量的濾波電容使該用電器具的負載特性呈現(xiàn)容性，這就造成了交流220V在對該用電器具供電時，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娦裕挥性贏C線路電壓瞬時值高于濾波電容上的電壓時，整流二極管才會因正向偏置而導(dǎo)通，而當(dāng)AC輸入電壓瞬時值低于濾波電容

3、上的電壓時，整流二極管因反向偏置而截止。也就是說，在AC線路電壓的每個半周期內(nèi)，只是在其峰值附近，二極管才會導(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 路功率因素嚴重下降。在正半個周期內(nèi)（180o）,整流二極管的導(dǎo)通角大大小于1800,甚至只有30o- 70o由于要保證負載功率的要求，在極窄的導(dǎo)通角期間，會產(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，更為嚴重的是，它在供電線路容量不 足或電路負載較大時，會產(chǎn)生嚴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（這就是電磁干擾一EMI和電磁兼容一EMC問題）。電流波形一強脈沖狀態(tài)上波整流后的電爪波形一止弦丫周圖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載（早期電視機、收音機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載后，其功率因素補償?shù)暮x不僅是供電 的電壓和電流不同相位的問題，更為嚴重的是要解決因供電電流呈強脈沖狀態(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載導(dǎo)致電流波形嚴重畸變而產(chǎn)生的電磁干擾（EMI）和

5、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素補償技術(shù)，它是針對非 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載后電壓波形畸變正常供電電源電壓波形接入容性負載后引起供電屯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，使其負載特性接近于阻性（電壓和電

6、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。、怎樣進行功率因素校正：1、功率因素校正：（PFC我們目前使用的電視機， 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。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

7、內(nèi)電視機生產(chǎn)廠對過去設(shè)計的功率較大的電視機，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脈沖 的波動，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。此種方式還不能稱為真正的無源PFC電路，只是一種簡單的補償措施，可以應(yīng)用在前期設(shè)計的無PFC功能的設(shè)備上，簡單的增加一個合適的電感（適當(dāng)選取L和C的值），從而達到具有抑制電流瞬時突變的目的；但是這種簡單的、低成本的補救方法，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

8、償?shù)哪芰Χ己懿?，?且L的繞制及鐵芯的質(zhì)量控制不好，會對圖像及伴音產(chǎn)生嚴重的干擾，只能是對于前期無 PFC設(shè)備使之能進入市場的臨時措施。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“斬波”電路把脈動的直流變成高頻（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 AC t DC t AC

9、t DC oDC 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DC的斬波電路，如圖8所示（斬波電路等于附加一個開關(guān)電源）。對于供電線路來說，該整流電路輸出沒有直接接濾波電容，所以其對于供電線路來說呈現(xiàn)的是純阻性的負載，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開關(guān)電源， 所以說有源PFC 開關(guān)電源就是一個雙開關(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。B+PFC/S01J-F#'it/ PFC幵關(guān)電測:iBD2中的每H 二極管導(dǎo)通At 幾莊接近180&#

10、176;FFC電路由兩個開關(guān)電源組合而成圖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)”工作脈動的正電壓被“斬”成圖7所示的電流波形，其波形的特點：（1）電流波形是斷續(xù)的，其包絡(luò)線和電壓波形相同，并且包絡(luò)線和電壓波 形相位同相；（2）由于斬波作用，半波脈動的直流電變成高頻 （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，

11、既解決了功率因素補償問題，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 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，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，對后級PWM 開關(guān)管要求低等等諸多好處。黑色實線為電壓波形紅色虛線為電流包絡(luò)波形nnw»vmnnn£innnnnniiniinimnnniinnnRwuuMinnnn

12、rL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（半個周期）的低電壓區(qū)，T2在被斬波電壓的高電壓區(qū)，T1 （時間）=T2 （時間）。從圖中可以看到，所有的開關(guān)周期時間都相等， 這說明在被斬波電壓的任何幅度時，斬波管的工作頻率不變。從圖10中可以看出，在高電壓區(qū)和低電壓區(qū)，每個斬波周期內(nèi)的占空比不同（T1和T2的時間相同，而上升脈沖的寬度不同），被斬波電壓為零時（無電壓），斬波頻率仍然不

13、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，每一個開關(guān)周期內(nèi)“開”、“關(guān)”的時間相等，如圖9所示。T1和T2時間不同，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，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以下的小功率設(shè)備上，例如：海信TLM3277液晶電視接收機開關(guān)電源的PFC部分即工作在DCM模式。T1 *:工斗:T3T2圖9不連續(xù)導(dǎo)通模式（

14、DCM（3）臨界導(dǎo)通模式（CRIM或過渡模式（TCM：工作介于CCM和DCM之間，工作更接近DCM模式。在上一個導(dǎo)通周期結(jié)束后，下一個導(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載的變化而變化。優(yōu)點：廉價芯片、便于設(shè)計，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：由于頻率變化，存在潛在的 EMI問題，需要一個設(shè)計精確的輸入濾波器。6、開關(guān)穩(wěn)壓電源部分：（PWMf關(guān)電源）該開關(guān)穩(wěn)壓電源（PWM ）是整個具有 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+P

15、FC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)電源部分和 PWM開關(guān)電源部分的激勵部分均由一塊集成電路完成，即PFC/PWM組合IC （例如：海信 TPW4211等離子電視的ML4824及TLM3277液晶電視的SMA-E1017等），其基本框圖如圖10 （等離子三 星V2屏PFC開關(guān)電源基本框圖）和圖 11 （海信液晶TLM3277電視開關(guān)電源基本框圖） 所示。rrxf 斬波里路B+PFC +380VPFC ；|黃電源PFC,沁3zw電壓血臨Li杠1 2們2 創(chuàng)*M懷：4 135 ®|011 |710 |B也*呂FFC.： ：jJ.PFC："5V基準(zhǔn)PWMMJPWM'L'uiQi屯濁主鏗i|h譏閉：.-八：!圖10PW