PFC的来由及基本原理

PFC电路的来由及根本原理

本文重点针对PFC的产生原因及数学表达式做了主要的描述讲解，对于PFC具体的功能实现作了简要的解释。因部份内容为个人的理解描述，有不正确之处，还请大家多指证。谢谢！仅供内部使用！

MZD400Preparationby:jutazhongPFC电路的来由及根本原理一、PF电路的来由：

1、PF/有功功率/无功功率/视在功率四者的关系

2、为什么会有无功功率的产生

3、无功功率产生所带来的危害

4、PF(PowerFactor)的定義二、PFC电路的作用及其本原理：

1、PFC的作用

2、PFC电路的实现原理

3、有源PFC实现详解

PFC电路的来由及根本原理一、什么是功率因数PF及其产生原因1、PF/有功功率/无功功率/视在功率四者的关系：PF的英文全称为“PowerFactor”，意思是“功率因数”.PF等于〔有功功率〕P与S〔视在功率〕的比值。有功功率为设备本身吸收消耗的电能量。视在功率为电网所提供的总能量，其=有功功率+无功功率。从以上描述中可以看到，要提高功率因数PF只能减小无功功率。2、为什么会有无功功率的产生:大家知道我们一般的电器设备都会用到电容和电感等滤波储能元件以减小纹波并给后级提供足够的能量储存，为此将会给我们带来两个问题：

PFC电路的来由及根本原理第一、电压和电流相位将不会同步。从波型瞬时值上看，当电压和电流在同一上半周或下半周相位时设备从电网吸收能量；当电压和电流不在同一上半周或下半周相位时设备向电网释放能量。设备在一个周期内所消耗的功率为设备吸收的功率减去设备向电网释放的功率。〔这可以从数学公式上推导〕设备向电网释放的功率就是无功功率，因为它并没有对设备做功第二、电流呈非正弦状态时会出现较多高次谐波，而这些高次谐波平均功率为零〔不同频率的电压电流谐波乘积后积分为零〕，这就是说这些高次谐波并没有对设备做功，所以也为无功功率！

PFC电路的来由及根本原理3.无功功率产生所带来的危害当电流为非正弦波变化或电压电流相位不同步时，会产生无功功率，而用电设备并没有吸收消耗这些电能，而是在设备和发电厂之间来回传送〔物理上表现为不断的充放电的过程〕，在这来回的传送过程中会出现以下两个问题：第一、电能在来回传送的过程中，在导线和发电机中会造成不必要的损耗。第二、由于存在高次谐波，当电网负符较重时电压波型也将发生畸变从而对其它用电设造成严重的干扰。PFC电路的来由及根本原理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(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可表示為：P=Vi*I1CosαPF=Vi*I1Cosα/Vi*I=I1Cosα/I基波電流相對值(畸變因數)：Cosα稱為位移因數,所以功率因數為畸變因數與位移因數的乘積.在線性電源中因電流為標准的正弦波,所以I1=I,也就得到線性電源中位移因數圖1.Vi與I1波形

Cosα正好等於其功率因數Cosψ,同理當α=0時,PF=I1/I(畸變因數)电压与电流相位不同步PFC电路的来由及根本原理二、PFC电路的作用及实现原理1、PFC电路的作用：即然功率因数PF与电网的电压电流相位差及波型畸变因素有关，那么我们PFC要得到较高的功率因素，其任务也就是两个：〔1〕让电网输入电流呈正弦变化或减少电流波型畸变〔2〕让电网电流与电压同相或增加电流导通角2、PFC电路的实现原理PFC有有源PFC和无源PFC两大种类：

PFC电路的来由及根本原理〔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.主要優點:簡單,本钱低,可靠性高,EMI小.主要缺點:尺寸,重量大,難以得到高功率因數(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%,即功率因數可提高到0.99或更高.主要優點:可得到較高的功率因數,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,本钱高,EMI高.PFC电路的来由及根本原理以下图被動式PFC具體電路和被動式PFC常用電感圖形.PFC电路的第一个任务的实现：

BOOST电路拓谱〔如以下图〕在PFC电路中常被使用。其除了有开关电源的一般特点外，在开关时期内还可持续的从VIN电源吸收能量。也就是说会有持续的电流从电源流过。在开关管on的周期，电感存储电源提供的能量。在开关管off的周期内，电感和电源同时向负载提供能量。从而到达电源在整个周期内有持续的电流流通的目的〔这一功能在buck电路中是无法实现的〕。这样我们利用BOOST电路就完成PFC电路的第一个任务：让电源有持续的电流流通，使电流流通角度几乎到达360度。防止窄且峰值高的尖峰产生。3、有源PFC电路的实现详解PFC电路的来由及根本原理BOOST电路第二个任务的实现：

PFC电路的第二个任务就是让电源电流随电压波型变化而变化。

第二个任务实现方法是：取电源电压并与输出电压取样值相乘得到一个随电源电压变化的反响信号再与输入采样电流信号做比较后得到误差信号控制开关管的通断时间，从而使输出电流随电压的变化而变化。这就完成了PFC的第二个任务：强迫输出电流随输出电压变化而变化。PFC电路的来由及根本原理在之前的讨论中我们知道了有功功率由平均分量和基波分量产生，其它高次谐波与电压的乘积后积分为零，所以没有功率消耗，为无功功率。所以我们PFC电路的最终目的是产生基波电流，并将其它高次谐波电源控到到最小。根据输入电流的控制方式PFC电路可分为临界导通模式〔CRM〕、不连续导通模式〔DCM〕和连续导通模式〔CCM〕三类。PFC电路的来由及根本原理a.临界导通模式〔CRM〕CRM-PFCCRM也称为边界导电模式〔BCM〕或过渡模式〔TM〕。U3011的PFC电路就工作于此模式下。CRM-PFC电路一般适用功率范围在250W〔尤其是150W以下〕，特别适合在荧光灯电子镇流器和低功率的开关电源中应用。CRM-PFC升压级电路简图如图2所示。该电路被置于桥式整流器之后，Cin和Co,分别为输入和输出电容。L为升压电感器，其辅助绕组用作零电流检测〔ZCI〕〕传感器。VDl为升压二极管，VTl为PFC开关。R1与R2用作输入电压采样，采样信号约为输入信号的1%.R3与R4用作DC输出电压检测，在R4上的取样信号通常约为PFC输出电压的0.6%〔一般为2.5V〕。Rs为电流感测电阻，Rs上的电压信号经RC低通滤波器〔图2中未画〕输入到IC的电流感测端〔通常为CS引脚〕。当IC驱动VTl导通时，VDl截止，通过L的电流全部流过VTl,而且从零开始线性增加。一旦Rs上的检测信号超过IC内部的门限，L辅助绕组电压极性反转。VT1阻断，VD1导通，电感电流IL从峰值线性降低。一旦IL到达零，IC就驱动VTl立即导通，开始一个新开关管周期.峰值电感电流时刻追踪AC输入电压瞬时变化轨迹，高频三角波电感电流被Cin开路，所得平均电流〔为峰值电感电流的一半〕呈正弦波形，而且与AC电压趋于同相位，从而使系统呈现纯电阻性，实现接近于1〔达0.98~0.99〕的功率因数。图3所示为CRM-PFC电路的AC输入电压、电感电流和平均输入电流波形.PFC电路的来由及根本原理PFC电路的来由及根本原理b.不连续导通模式〔DCM〕DCM-PFCDCM-PFC升压电路的电感电流和平均输入电流波形如图4所示。与图3所示的CRM-PFC电路相关波形比较，DCM-PFC升压变换器的工作频率是固定的，而不是像CRM-PFC电路那样在变频下操作，而且当AC电压从零变化到峰值时，频率逐渐降低。DCM-PFC电路电感电流降为零后，存在一个死区时间。此后才开始新的开关周期。在相同输出功率下，DCM-PFC电路的峰值电感电流比CRM-PFC电路大得多，这就增加了功率元件上的电流应力。但由于DCM-PFC电路在定频下工作，EMI滤波器易于设计。而CRM-PFC电路在AC电压过零附近的开关频率往往达几百干赫，使得EMI滤波器设计复杂化。目前完全在DCM下工作的PFC电路几乎不再被人们采用，但有些PFC控制IC〔如NCPl601等〕，在AC电压过零附近，工作在DCM