PFC的來由及基本原理課件

PFC電路的來由及基本原理

本文重點針對PFC的產(chǎn)生原因及數(shù)學表達式做了主要的描述講解，對于PFC具體的功能實現(xiàn)作了簡要的解釋。因部份內容為個人的理解描述，有不正確之處，還請大家多指證。謝謝！僅供內部使用！

MZD400Preparationby:jutazhongPFC電路的來由及基本原理MZD400PFC電路的來由及基本原理一、PF電路的來由：

1、PF/有功功率/無功功率/視在功率四者的關系

2、為什么會有無功功率的產(chǎn)生

3、無功功率產(chǎn)生所帶來的危害

4、PF(PowerFactor)的定義二、PFC電路的作用及其本原理：

1、PFC的作用

2、PFC電路的實現(xiàn)原理

3、有源PFC實現(xiàn)詳解

PFC電路的來由及基本原理一、PF電路的來由：PFC電路的來由及基本原理一、什么是功率因數(shù)PF及其產(chǎn)生原因

1、PF/有功功率/無功功率/視在功率四者的關系：

PF的英文全稱為“PowerFactor”，意思是“功率因數(shù)”.PF等于（有功功率）P與S（視在功率）的比值。

有功功率為設備本身吸收消耗的電能量。視在功率為電網(wǎng)所提供的總能量，其=有功功率+無功功率。從以上描述中可以看到，要提高功率因數(shù)PF只能減小無功功率。

2、為什么會有無功功率的產(chǎn)生:

大家知道我們一般的電器設備都會用到電容和電感等濾波儲能元件以減小紋波并給后級提供足夠的能量儲存，為此將會給我們帶來兩個問題：

PFC電路的來由及基本原理一、什么是功率因數(shù)PF及其產(chǎn)生原因PFC電路的來由及基本原理

第一、電壓和電流相位將不會同步。從波型瞬時值上看，當電壓和電流在同一上半周或下半周相位時設備從電網(wǎng)吸收能量；當電壓和電流不在同一上半周或下半周相位時設備向電網(wǎng)釋放能量。設備在一個周期內所消耗的功率為設備吸收的功率減去設備向電網(wǎng)釋放的功率。（這可以從數(shù)學公式上推導）設備向電網(wǎng)釋放的功率就是無功功率，因為它并沒有對設備做功第二、電流呈非正弦狀態(tài)時會出現(xiàn)較多高次諧波，而這些高次諧波平均功率為零（不同頻率的電壓電流諧波乘積后積分為零），這就是說這些高次諧波并沒有對設備做功，所以也為無功功率！

PFC電路的來由及基本原理第一、電壓和電流相位PFC電路的來由及基本原理3.無功功率產(chǎn)生所帶來的危害當電流為非正弦波變化或電壓電流相位不同步時，會產(chǎn)生無功功率，而用電設備并沒有吸收消耗這些電能，而是在設備和發(fā)電廠之間來回傳送（物理上表現(xiàn)為不斷的充放電的過程），在這來回的傳送過程中會出現(xiàn)以下兩個問題：第一、電能在來回傳送的過程中，在導線和發(fā)電機中會造成不必要的損耗。第二、由于存在高次諧波，當電網(wǎng)負符較重時電壓波型也將發(fā)生畸變從而對其它用電設造成嚴重的干擾。PFC電路的來由及基本原理3.無功功率產(chǎn)生所帶來的危害PFC電路的來由及基本原理4、PF(PowerFactor)的定義

電工原理中線性電路的功率因數(shù)習慣用Cosψ表示,ψ為正弦電壓與正弦電流間的相位差.由於整流電路中二極管的非線性,盡管輸入電壓為正弦,電流卻為嚴重非正弦,因此線性電路的功率因數(shù)(PF)計算不再適用於AC-DC變流電路.定義：PF=有功功率/伏安=P/Vi*I.非正弦波電流有效值:

假設基波電流I1落後Vi相位差為α,如圖1.

則有用功的功率因數(shù)可表示為：P=Vi*I1CosαPF=Vi*I1Cosα/Vi*I=I1Cosα/I基波電流相對值(畸變因數(shù))：Cosα稱為位移因數(shù),所以功率因數(shù)為畸變因數(shù)與位移因數(shù)的乘積.在線性電源中因電流為標準的正弦波,所以I1=I,也就得到線性電源中位移因數(shù)圖1.Vi與I1波形

Cosα正好等於其功率因數(shù)Cosψ,同理當α=0時,PF=I1/I(畸變因數(shù))電壓與電流相位不同步PFC電路的來由及基本原理4、PF(PowerFactorPFC電路的來由及基本原理二、PFC電路的作用及實現(xiàn)原理

1、PFC電路的作用：即然功率因數(shù)PF與電網(wǎng)的電壓電流相位差及波型畸變因素有關，那么我們PFC要得到較高的功率因素，其任務也就是兩個：（1）讓電網(wǎng)輸入電流呈正弦變化或減少電流波型畸變（2）讓電網(wǎng)電流與電壓同相或增加電流導通角

2、PFC電路的實現(xiàn)原理

PFC有有源PFC和無源PFC兩大種類：

PFC電路的來由及基本原理二、PFC電路的作用及實現(xiàn)原理PFC電路的來由及基本原理（一.）無源濾波器(被動式PFC),此方案是在電路的整流器和電容之間串一個濾波電感,或在交流側接入諧振濾波器.

主要優(yōu)點:簡單,成本低,可靠性高,EMI小.

主要缺點:尺寸,重量大,難以得到高功率因數(shù)(一般可提高到0.8左右)

工作性能與頻率,負載變化及輸入電壓變化有關,電感和電容間有大的充放電電流等.（二.）有源濾波器(主動式PFC),在整流器和大電容之間接入一個Boost電壓變換線路,應用電流反饋的PWM技術,使輸入端電流I1波形跟隨交流輸入正弦電壓波形,可以使I1接近正弦,從而使輸入端THD小於5%,即功率因數(shù)可提高到0.99或更高.

主要優(yōu)點:可得到較高的功率因數(shù),如0.95~0.99,THD小,可在較寬的輸入電壓范圍(如90~264Vac)和寬頻率下工作,體積小,重量輕,輸出電壓可保持恆定.

主要缺點:電路複雜,MTBF下降,成本高,EMI高.PFC電路的來由及基本原理（一.）無源濾波器(被動式PFCPFC電路的來由及基本原理下圖被動式PFC具體電路和被動式PFC常用電感圖形.PFC電路的來由及基本原理下圖被動式PFC具體電路和被動式PPFC電路的第一個任務的實現(xiàn)：

BOOST電路拓譜（如下圖）在PFC電路中常被使用。其除了有開關電源的一般特點外，在開關時期內還可持續(xù)的從VIN電源吸收能量。也就是說會有持續(xù)的電流從電源流過。在開關管on的周期，電感存儲電源提供的能量。在開關管off的周期內，電感和電源同時向負載提供能量。從而達到電源在整個周期內有持續(xù)的電流流通的目的（這一功能在buck電路中是無法實現(xiàn)的）。這樣我們利用BOOST電路就完成PFC電路的第一個任務：讓電源有持續(xù)的電流流通，使電流流通角度幾乎達到360度。避免窄且峰值高的尖峰產(chǎn)生。3、有源PFC電路的實現(xiàn)詳解PFC電路的來由及基本原理PFC電路的第一個任務的實現(xiàn)：

BOOST電路第二個任務的實現(xiàn)：

PFC電路的第二個任務就是讓電源電流隨電壓波型變化而變化。

第二個任務實現(xiàn)方法是：取電源電壓并與輸出電壓取樣值相乘得到一個隨電源電壓變化的反饋信號再與輸入采樣電流信號做比較后得到誤差信號控制開關管的通斷時間，從而使輸出電流隨電壓的變化而變化。這就完成了PFC的第二個任務：強迫輸出電流隨輸出電壓變化而變化。PFC電路的來由及基本原理

在之前的討論中我們知道了有功功率由平均分量和基波分量產(chǎn)生，其它高次諧波與電壓的乘積后積分為零，所以沒有功率消耗，為無功功率。所以我們PFC電路的最終目的是產(chǎn)生基波電流，并將其它高次諧波電源控到到最小。根據(jù)輸入電流的控制方式PFC電路可分為臨界導通模式（CRM）、不連續(xù)導通模式（DCM）和連續(xù)導通模式（CCM）三類。BOOST電路第二個任務的實現(xiàn)：

PFC電路的來由及基本原理a.臨界導通模式（CRM）

CRM-PFCCRM也稱為邊界導電模式（BCM）或過渡模式（TM）。U3011的PFC電路就工作于此模式下。CRM-PFC電路一般適用功率范圍在250W（尤其是150W以下），特別適合在熒光燈電子鎮(zhèn)流器和低功率的開關電源中應用。

CRM-PFC升壓級電路簡圖如圖2所示。該電路被置于橋式整流器之后，Cin和Co,分別為輸入和輸出電容。L為升壓電感器，其輔助繞組用作零電流檢測（ZCI））傳感器。VDl為升壓二極管，VTl為PFC開關。R1與R2用作輸入電壓采樣，采樣信號約為輸入信號的1%.R3與R4用作DC輸出電壓檢測，在R4上的取樣信號通常約為PFC輸出電壓的0.6%（一般為2.5V）。Rs為電流感測電阻，Rs上的電壓信號經(jīng)RC低通濾波器（圖2中未畫）輸入到IC的電流感測端（通常為CS引腳）。當IC驅動VTl導通時，VDl截止，通過L的電流全部流過VTl,而且從零開始線性增加。一旦Rs上的檢測信號超過IC內部的門限，L輔助繞組電壓極性反轉。VT1阻斷，VD1導通，電感電流IL從峰值線性降低。一旦IL達到零，IC就驅動VTl立即導通，開始一個新開關管周期.峰值電感電流時刻追蹤AC輸入電壓瞬時變化軌跡，高頻三角波電感電流被Cin開路，所得平均電流（為峰值電感電流的一半）呈正弦波形，而且與AC電壓趨于同相位，從而使系統(tǒng)呈現(xiàn)純電阻性，實現(xiàn)接近于1（達0.98~0.99）的功率因數(shù)。圖3所示為CRM-PFC電路的AC輸入電壓、電感電流和平均輸入電流波形.PFC電路的來由及基本原理a.臨界導通模式（CRM）PFC電路的來由及基本原理PFC電路的來由及基本原理PFC電路的來由及基本原理b.不連續(xù)導通模式（DCM）

DCM-PFCDCM-PFC升壓電路的電感電流和平均輸入電流波形如圖4所示。與圖3所示的CRM-PFC電路相關波形比較，DCM-PFC升壓變換器的工作頻率是固定的，而不是像CRM-PFC電路那樣在變頻下操作，而且當AC電壓從零變化到峰值時，頻率逐漸降低。DCM-PFC電路電感電流降為零后，存在一個死區(qū)時間。爾后才開始新的開關周期。在相同輸出功率下，DCM-PFC電路的峰值電感電流比CRM-PFC電路大得多，這就增加了功率元件上的電流應力。但由于DCM-PFC電路在定頻下工作，EMI濾波器易于設計。而CRM-PFC電路在AC電壓過零附近的開關頻率往往達幾百干赫，使得EMI濾波器設計復雜化。目前完全在DCM下工作的PFC電路幾乎不再被人們采用，但有些PFC控制IC（如NCPl601等），在AC電壓過零附近，工作在DCM;而在AC電壓峰值附近，則在CRM運行，兼有CRM和DCM兩種模式之優(yōu)點。PFC電路的來由