AC/DC（三）：PFC

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#ACDC #PFC #功率因数 #有源PFC #无源PFC

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一、概念：

PFC（Power Factor Correction），又称功率因数校正，指的是有效功率与视在功率（总耗电量）之间的比值。PFC主要是对输入电流波形进行控制，使其与输入电压波形同步，功率因数可以衡量电力被有效利用的程度，值越大，利用率越高。

PFC电路分主动式（有源）PFC和被动式（无源）PFC两种。

二、特性：

A、负载特性：

交流电在纯电阻负载上电流和电压是同相位的，即纯电阻是消耗功率器件；
交流电在纯电感负载上电压超前电流90°
（由于感性负载的电流滞后所加电压，电压和电流的相位不同使供电线路的负担加重导致供电线路效率下降，如下图所示）。
这就要求在感性用电器上并联一个电容器用以调整其该用电器的电压、电流相位特性
交流电在纯电容负载上电流超前电压90°
（开关电源一般是在整流后用一个大容量滤波电容，可参考AC/DC（一），导致该用电器的负载特性呈现容性，这就造成了交流220V在对该用电器供电时，由于滤波电容的充、放电，在其两端的直流电压出现略呈锯齿波的纹波。滤波电容上电压的最小值远非为零，与其最大值(纹波峰值)相差并不多。根据整流二极管的单向导电性，只有在AC线路电压瞬时值高于滤波电容上的电压时，整流二极管才会因正向偏置而导通，而当AC输入电压瞬时值低于滤波电容上的电压时，整流二极管因反向偏置而截止。也即在AC线路电压的每个半周期内，只是在其峰值附近，二极管才会导通。虽然AC输入电压仍大体保持正弦波波形，但AC输入电流却呈高幅值的尖峰脉冲，如下图所示）；
这种严重失真的电流波形含有大量的谐波成份，会导致线路功率因数严重下降，更主要的是要解决因供电电流呈强脉冲状态而引起的 EMI（电磁干扰）和 EMC（电磁兼容）问题。

B、成因：

全波整流电路如下图所示：

在 $t_{0}$ ～ $t_{3}$ 时间（0°～180°)：
$t_{0}$ 时刻，电压、电流均为零；
$t_{1}$ 时间，电压、电流达到最大值，因为 $t_{1}$ 时刻需要对负载和电容进行充电，所以电流的幅度比较大，电容上电压 $U_{C}$ 将达到输入交流电的峰值，由于电容上电压不能突变，在 $t_{1}$ ～ $t_{3}$ 期间，二极管右边电压为 $U_{C}$ ，而左边电压在 $t_{2}$ 时间内，电压由峰值逐渐下降为零，因此 $t_{1}$ ～ $t_{3}$ 期间，二极管反向截止，此期间电流为零。（增加滤波电容后第一个交流电的正半周，二极管的导通角为 90° ）；
在 $t_{3}$ ～ $t_{4}$ 时间（180°～240°)：由于在 $t_{1}$ ～ $t_{3}$ 期间二极管反偏，不对电容充电，电容上电压通过负载放电，电压逐渐下降（下降的速度由电容的容量及负载的阻值大小决定，如果电容的容量足够大，而且负载的阻值也足够大，则 $U_{C}$ 下降很缓慢）。在 $t_{3}$ ～ $t_{4}$ 期间虽然二极管左边电压在逐步上升，但是由于二极管右边的电容放电缓慢，二极管右边的电压仍旧大于左边，二极管仍旧反向截止；
在 $t_{4}$ ～ $t_{7}$ 时间（240°～360°)： $t_{4}$ 时刻二极管左边电压上升到超过右边电压，二极管导通，对负载和电容进行充电，流过二极管的电流较大， $t_{5}$ 时刻，二极管左边电压逐步下降，由于电容充电到最大值，二极管在 $t_{5}$ ～ $t_{7}$ 时间又进入反向截止。

该电路对于供电线路来说，由于在强电流脉冲的极短期间，线路上会产生较大的压降（对于内阻较大的供电线路尤为显著），使供电线路的电压波形产生畸变，强脉冲的高次谐波会对其它的用电器产生较强的干扰。

三、PFC校正

A、无源PFC

在整流桥和滤波电容之间增加电感（适当选取电感量），利用电感上电流不能突变的特性来平滑电容充放电导致的强脉冲波动，以此改善供电线路电流波形的畸变，并且在电感上，电压超前电流的特性也可以补偿滤波电容电流超前电压的特性，使功率因数、电磁兼容和电磁干扰得以改善，如下图所示。

这种简单、低成本的无源 PFC 方案输出纹波较大，滤波电容两端的直流电压也较低，电流畸变的校正及功率因数补偿的能力都较差，而且 L 的绕制及铁芯的质量控制不好，会对图像及伴音产生严重的干扰。

B、升压PFC

有源PFC的基本原理是在开关电源的整流电路和滤波电容之间增加 BOOST 升压转换器，对于供电线路来说该整流电路输出没有直接接大滤波电容，呈现的是纯阻性的负载，其电压和电流波形同相、相位相同，如下图所示。

有源 PFC 基本上可以完全的消除电流波形的畸变，而且可以控制电压和电流的相位保持一致（蓝色为电压波形，绿色虚线为电流包络波形），可有效解决功率因数、电磁兼容、电磁干扰等问题，但是电路比较复杂，该波形的特点是：

电流波形是断续的，其包络线和电压波形相同，并且包络线和电压波形相位、同相；
由于斩波的作用，半波脉动的正弦波直流电变成高频（由斩波频率决定，常用的开关频率通常有45kHz、65kHz、100kHz、133kHz 等）脉冲式电流
从外部供电看该用电系统做到了交流电压和交流电流同相并且电压波形和电流波形均符合正弦波形，既解决了功率因素补偿问题，也解决电磁兼容（EMC）和电磁干扰（EMI）问题。