PFC的來(lái)由及基本原理

PFC電路的來(lái)由及根本原理

本文重點(diǎn)針對(duì)PFC的產(chǎn)生原因及數(shù)學(xué)表達(dá)式做了主要的描述講解，對(duì)于PFC具體的功能實(shí)現(xiàn)作了簡(jiǎn)要的解釋。因部份內(nèi)容為個(gè)人的理解描述，有不正確之處，還請(qǐng)大家多指證。謝謝！僅供內(nèi)部使用！

MZD400Preparationby:jutazhongPFC電路的來(lái)由及根本原理一、PF電路的來(lái)由：

1、PF/有功功率/無(wú)功功率/視在功率四者的關(guān)系

2、為什么會(huì)有無(wú)功功率的產(chǎn)生

3、無(wú)功功率產(chǎn)生所帶來(lái)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(shí)現(xiàn)原理

3、有源PFC實(shí)現(xiàn)詳解

PFC電路的來(lái)由及根本原理一、什么是功率因數(shù)PF及其產(chǎn)生原因1、PF/有功功率/無(wú)功功率/視在功率四者的關(guān)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(shè)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(wú)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(wú)功功率。2、為什么會(huì)有無(wú)功功率的產(chǎn)生:大家知道我們一般的電器設(shè)備都會(huì)用到電容和電感等濾波儲(chǔ)能元件以減小紋波并給后級(jí)提供足夠的能量?jī)?chǔ)存，為此將會(huì)給我們帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題：

PFC電路的來(lái)由及根本原理第一、電壓和電流相位將不會(huì)同步。從波型瞬時(shí)值上看，當(dāng)電壓和電流在同一上半周或下半周相位時(shí)設(shè)備從電網(wǎng)吸收能量；當(dāng)電壓和電流不在同一上半周或下半周相位時(shí)設(shè)備向電網(wǎng)釋放能量。設(shè)備在一個(gè)周期內(nèi)所消耗的功率為設(shè)備吸收的功率減去設(shè)備向電網(wǎng)釋放的功率?！策@可以從數(shù)學(xué)公式上推導(dǎo)〕設(shè)備向電網(wǎng)釋放的功率就是無(wú)功功率，因?yàn)樗](méi)有對(duì)設(shè)備做功第二、電流呈非正弦狀態(tài)時(shí)會(huì)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(shuō)這些高次諧波并沒(méi)有對(duì)設(shè)備做功，所以也為無(wú)功功率！

PFC電路的來(lái)由及根本原理3.無(wú)功功率產(chǎn)生所帶來(lái)的危害當(dāng)電流為非正弦波變化或電壓電流相位不同步時(shí)，會(huì)產(chǎn)生無(wú)功功率，而用電設(shè)備并沒(méi)有吸收消耗這些電能，而是在設(shè)備和發(fā)電廠之間來(lái)回傳送〔物理上表現(xiàn)為不斷的充放電的過(guò)程〕，在這來(lái)回的傳送過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)以下兩個(gè)問(wèn)題：第一、電能在來(lái)回傳送的過(guò)程中，在導(dǎo)線和發(fā)電機(jī)中會(huì)造成不必要的損耗。第二、由于存在高次諧波，當(dāng)電網(wǎng)負(fù)符較重時(shí)電壓波型也將發(fā)生畸變從而對(duì)其它用電設(shè)造成嚴(yán)重的干擾。PFC電路的來(lái)由及根本原理4、PF(PowerFactor)的定義

電工原理中線性電路的功率因數(shù)習(xí)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(yán)重非正弦,因此線性電路的功率因數(shù)(PF)計(jì)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(shè)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(duì)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)α=0時(shí),PF=I1/I(畸變因數(shù))電壓與電流相位不同步PFC電路的來(lái)由及根本原理二、PFC電路的作用及實(shí)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(guān)，那么我們PFC要得到較高的功率因素，其任務(wù)也就是兩個(gè)：〔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(dǎo)通角2、PFC電路的實(shí)現(xiàn)原理PFC有有源PFC和無(wú)源PFC兩大種類：

PFC電路的來(lái)由及根本原理〔一.〕無(wú)源濾波器(被動(dòng)式PFC),此方案是在電路的整流器和電容之間串一個(gè)濾波電感,或在交流側(cè)接入諧振濾波器.主要優(yōu)點(diǎn):簡(jiǎn)單,本錢低,可靠性高,EMI小.主要缺點(diǎn):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(fù)載變化及輸入電壓變化有關(guān),電感和電容間有大的充放電電流等.〔二.〕有源濾波器(主動(dòng)式PFC),在整流器和大電容之間接入一個(gè)Boost電壓變換線路,應(yīng)用電流反饋的PWM技術(shù),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(diǎn):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(diǎn):電路複雜,MTBF下降,本錢高,EMI高.PFC電路的來(lái)由及根本原理以下圖被動(dòng)式PFC具體電路和被動(dòng)式PFC常用電感圖形.PFC電路的第一個(gè)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)：

BOOST電路拓譜〔如以下圖〕在PFC電路中常被使用。其除了有開(kāi)關(guān)電源的一般特點(diǎn)外，在開(kāi)關(guān)時(shí)期內(nèi)還可持續(xù)的從VIN電源吸收能量。也就是說(shuō)會(huì)有持續(xù)的電流從電源流過(guò)。在開(kāi)關(guān)管on的周期，電感存儲(chǔ)電源提供的能量。在開(kāi)關(guān)管off的周期內(nèi)，電感和電源同時(shí)向負(fù)載提供能量。從而到達(dá)電源在整個(gè)周期內(nèi)有持續(xù)的電流流通的目的〔這一功能在buck電路中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的〕。這樣我們利用BOOST電路就完成PFC電路的第一個(gè)任務(wù)：讓電源有持續(xù)的電流流通，使電流流通角度幾乎到達(dá)360度。防止窄且峰值高的尖峰產(chǎn)生。3、有源PFC電路的實(shí)現(xiàn)詳解PFC電路的來(lái)由及根本原理BOOST電路第二個(gè)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)：

PFC電路的第二個(gè)任務(wù)就是讓電源電流隨電壓波型變化而變化。

第二個(gè)任務(wù)實(shí)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(gè)隨電源電壓變化的反響信號(hào)再與輸入采樣電流信號(hào)做比較后得到誤差信號(hào)控制開(kāi)關(guān)管的通斷時(shí)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(gè)任務(wù)：強(qiáng)迫輸出電流隨輸出電壓變化而變化。PFC電路的來(lái)由及根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(méi)有功率消耗，為無(wú)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(dǎo)通模式〔CRM〕、不連續(xù)導(dǎo)通模式〔DCM〕和連續(xù)導(dǎo)通模式〔CCM〕三類。PFC電路的來(lái)由及根本原理a.臨界導(dǎo)通模式〔CRM〕CRM-PFCCRM也稱為邊界導(dǎo)電模式〔BCM〕或過(guò)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(kāi)關(guān)電源中應(yīng)用。CRM-PFC升壓級(jí)電路簡(jiǎn)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(cè)〔ZCI〕〕傳感器。VDl為升壓二極管，VTl為PFC開(kāi)關(guān)。R1與R2用作輸入電壓采樣，采樣信號(hào)約為輸入信號(hào)的1%.R3與R4用作DC輸出電壓檢測(cè)，在R4上的取樣信號(hào)通常約為PFC輸出電壓的0.6%〔一般為2.5V〕。Rs為電流感測(cè)電阻，Rs上的電壓信號(hào)經(jīng)RC低通濾波器〔圖2中未畫〕輸入到IC的電流感測(cè)端〔通常為CS引腳〕。當(dāng)IC驅(qū)動(dòng)VTl導(dǎo)通時(shí)，VDl截止，通過(guò)L的電流全部流過(guò)VTl,而且從零開(kāi)始線性增加。一旦Rs上的檢測(cè)信號(hào)超過(guò)IC內(nèi)部的門限，L輔助繞組電壓極性反轉(zhuǎn)。VT1阻斷，VD1導(dǎo)通，電感電流IL從峰值線性降低。一旦IL到達(dá)零，IC就驅(qū)動(dòng)VTl立即導(dǎo)通，開(kāi)始一個(gè)新開(kāi)關(guān)管周期.峰值電感電流時(shí)刻追蹤AC輸入電壓瞬時(shí)變化軌跡，高頻三角波電感電流被Cin開(kāi)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(shí)現(xiàn)接近于1〔達(dá)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(lái)由及根本原理PFC電路的來(lái)由及根本原理b.不連續(xù)導(dǎo)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(guān)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(dāng)AC電壓從零變化到峰值時(shí)，頻率逐漸降低。DCM-PFC電路電感電流降為零后，存在一個(gè)死區(qū)時(shí)間。此后才開(kāi)始新的開(kāi)關(guān)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(yīng)力。但由于DCM-PFC電路在定頻下工作，EMI濾波器易于設(shè)計(jì)。而CRM-PFC電路在AC電壓過(guò)零附近的開(kāi)關(guān)頻率往往達(dá)幾百干赫，使得EMI濾波器設(shè)計(jì)復(fù)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(guò)零附近，工作在DCM