开关电源功率因素校正(PFC)及原理

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1、郝铭李方建一、什么是功率因素补偿，什么是功率因素校正：功率因素补偿：在上世纪五十年代，已经针对因具有感性负载的交流用电器具的电压和电流不同相（图1）而引起的供电效率低下，提出了改进方法（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，这就要求在感性用电器具上并联一个电容器，用以调整该用电器具的电压、电流相位特性。例如：当时要求所使用的40W日光灯必须并联一个4.75μF的电容器）。用电容器并联在感性负载的两端，利用电容上电流超前电压的特性，用以补偿电感上电流滞后电压的特性，使总的特性接近于阻性，从而改善效

2、率低下的方法叫做功率因素补偿（交流电的功率因素可以用电源电压与负载电流两者相位角的余弦函数值cosφ表示）。图1在具有感性负载中供电线路中电压和电流的波形从上世纪80年代起，用电器具大量采用效率高的开关电源，由于开关电源都是在整流后，用一个大容量的滤波电容使该用电器具的负载特性呈现容性，这就造成了交流220V在对该用电器具供电时，由于滤波电容的充、放电作用，在其两端的直流电压上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

3、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。也就是说，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，如图2所示。这种严重失真的电流波形含有大量的谐波成份，引起线路功率因素严重下降。在正半个周期内（180º），整流二极管的导通角大大小于180º，甚至只有30º～70º；由于要保证负载功率的要求，在极窄的导通角期间，会产生极大的导通电流，使供电电路中的供电电流呈脉冲状态。它不仅降低了供电的效率，更为严重的是，它在供电线路容

4、量不足或电路负载较大时，会产生严重的交流电压波形畸变（图3），并产生多次谐波，从而干扰了其它用电器具的正常工作（这就是电磁干扰－EMI和电磁兼容－EMC问题）。图2全波整流电压和AC输入电流波形自从用电器具从过去的感性负载（早期电视机、收音机等的电源均是采用电源变压器的感性器件）变成带整流及滤波电容器的容性负载后，其功率因素补偿的含义不仅是供电的电压和电流不同相位的问题，更为严重的是要解决因供电电流呈强脉冲状态而引起的电磁干扰（EMI）和电磁兼容（EMC）问题。这就是在上世纪末发展起来的一项新技术（其背景源于开关电源的迅速发展和广泛应用），其主要目的是解

5、决因容性负载导致电流波形严重畸变而产生的电磁干扰(EMl)和电磁兼容(EMC)问题，所以现代的PFC技术完全不同于过去的功率因素补偿技术，它是针对非正弦电流波形畸变而采取的，迫使交流线路电流追踪电压波形瞬时变化轨迹，并使电流和电压保持同相位，使系统呈纯电阻性的技术（线路电流波形校正技术），这就是PFC（功率因素校正）。所以现代的PFC技术既完成了电流波形的校正，也解决了电压、电流的同相问题。图3正常供电电压波形和接入容性负载后电压波形畸变由于以上原因，要求用电功率大于85W以上（有的资料显示大于75W）的容性负载用电器具，必须增加校正其负载特性的校正电路

6、，使其负载特性接近于阻性（电压和电流波形同相且波形相近），这就是现代的功率因素校正（PFC）电路。二、怎样进行功率因素校正：1、功率因素校正：（PFC）我们目前使用的电视机，由于采用了高效的开关电源，而开关电源内部电源输入部分，无一例外的采用了二极管全波整流及滤波电路，如图4A所示，其电压和电流波形如图4B所示。AB图4全桥整流滤波电路及电压和电流波形图为了抑制电流波形的畸变及提高功率因素，现代的功率较大（大于85W）具有开关电源（容性负载）的用电器具，必须采用PFC措施，PFC分为有源PFC和无源PFC两种方式。2、无源PFC电路：不使用晶体管等有源器

7、件组成的校正电路，一般由二极管、电阻、电容和电感等无源器件组成。目前国内电视机生产厂对过去设计的功率较大的电视机，在整流桥堆和滤波电容之间加一只电感（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电强脉冲的波动，改善供电线路电流波形的畸变，并且利用电感上电压超前电流的特性也补偿滤波电容电流超前电压的特性，使功率因素、电磁兼容和电磁干扰得以改善，如图5所示。图5无源PFC电路此种方式还不能称为真正的无源PFC电路，只是一种简单的补偿措施，可以应用在前期设计的无PFC功能的设备上，简单的增加一个合适的电感（适当选取L和C的值），从而达到具有抑制电

8、流瞬时突变的目的；但是这种简单的、低成本的补救方法，输出纹波较大，滤波电容两端的