開關(guān)電源功率因數(shù)校正電路原理課件

開關(guān)電源功率因數(shù)校正原理（ＰＦＣ）西安賽維培訓(xùn)資料－－新技術(shù)類

西安賽維劉長軍一、什么是功率因數(shù)補(bǔ)償，什么是功率因數(shù)校正：功率因數(shù)的定義為有功功率與視在功率的比值．功率因素補(bǔ)償:這項技術(shù)主要是針對因具有感性負(fù)載的交流用電器具的電壓和電流不同相(圖1)而引起的供電效率低下,提出的改進(jìn)方法(由于感性負(fù)載的電流滯后所加電壓,電壓和電流的相位不同,使供電線路的負(fù)擔(dān)加重,導(dǎo)致供電線路效率下降,這就要求在感性用電器具上并聯(lián)一個性質(zhì)相反的電抗元件.用以調(diào)整該用電器具的電壓、電流相位特性.例如:當(dāng)時要求所使用的40W日光燈必須并聯(lián)一個4.75μF的電容器).用電容器并聯(lián)在感性負(fù)載的兩端,利用電容上電流超前電壓的特性,用以補(bǔ)償電感上電流滯后電壓的特性,使總的特性接近于阻性,從而改善效率低下的方法叫做功率因數(shù)補(bǔ)償(交流電的功率因數(shù)可以用電源電壓與負(fù)載電流兩者相位角的余弦函數(shù)值cosφ表示)。

圖1在具有感性負(fù)載中供電線路中電壓和電流的波形因為根據(jù)整流二極管的單向?qū)щ娦?只有在AC線路電壓瞬時值高于濾波電容上的電壓時,整流二極管才會因正向偏置而導(dǎo)通,而當(dāng)AC輸入電壓瞬時值低于濾波電容上的電壓時,整流二極管因反向偏置而截止.也就是說,在AC線路電壓的每個半周期內(nèi),只是在其峰值附近,二極管才會導(dǎo)通.雖然AC輸入電壓仍大體保持正弦波波形,但AC輸入電流卻呈高幅值的尖峰脈沖,如圖2所示.這種嚴(yán)重失真的電流波形含有大量的諧波成份,引起線路功率因數(shù)嚴(yán)重下降.在正半個周期內(nèi)(180o),整流二極管的導(dǎo)通角大大小于180o,甚至只有30o～70o.由于要保證負(fù)載功率的要求,在極窄的導(dǎo)通角期間,會產(chǎn)生極大的導(dǎo)通電流,使供電電路中的供電電流呈脈沖狀態(tài).它不僅降低了供電的效率,更為嚴(yán)重的是,它在供電線路容量不足或電路負(fù)載較大時,會產(chǎn)生嚴(yán)重的交流電壓波形畸變(圖3),并產(chǎn)生多次諧波,從而干擾了其它用電器具的正常工作(這就是電磁干擾－EMI和電磁兼容－EMC問題)。

圖3正常供電電壓波形和接入容性負(fù)載后電壓波形畸變二、怎樣進(jìn)行功率因數(shù)校正：1、功率因數(shù)校正:(PFC)我們目前使用的電視機(jī),由于采用了高效的開關(guān)電源,而開關(guān)電源內(nèi)部電源輸入部分,無一例外的采用了二極管全波整流及濾波電路,如圖4A所示,其電壓和電流波形如圖4B所示。ＡＢ圖4全橋整流濾波電路及電壓和電流波形圖

為了抑制電流波形的畸變及提高功率因數(shù),現(xiàn)代的功率較大(大于85W)具有開關(guān)電源(容性負(fù)載)的用電器具,必須采用PFC措施,PFC分為有源PFC和無源PFC兩種方式。2、無源PFC電路：

不使用晶體管等有源器件組成的校正電路,一般由二極管、電阻、電容和電感等無源器件組成。這種電路主要是在整流橋堆和濾波電容之間加一只電感(適當(dāng)選取電感量),利用電感上電流不能突變的特性來平滑電容充電強(qiáng)脈沖的波動,改善供電線路電流波形的畸變,并且利用電感上電壓超前電流的特性也補(bǔ)償濾波電容電流超前電壓的特性,使功率因數(shù)、電磁兼容和電磁干擾得以改善,如圖5所示.

圖5無源PFC電路此種方式還不能稱為真正的無源PFC電路,只是一種簡單的補(bǔ)償措施,可以應(yīng)用在前期設(shè)計的無PFC功能的設(shè)備上,簡單的增加一個合適的電感(適當(dāng)選取L和C的值),從而達(dá)到具有抑制電流瞬時突變的目的.但是這種簡單的低成本的補(bǔ)救方法,輸出紋波較大,濾波電容兩端的直流電壓也較低,電流畸變的校正及功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)哪芰Χ己懿?而且L的繞制及鐵芯的質(zhì)量控制不好,會對圖像及伴音產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾,只能是對于前期無PFC設(shè)備使之能進(jìn)入市場的臨時措施。3、有源PFC電路的原理：

有源PFC電路則有很好的效果,基本上可以完全消除電流波形的畸變,而且電壓和電流的相位可以控制保持一致,它基本上完全解決了功率因數(shù)、電磁兼容、電磁干擾的問題,但是電路非常的復(fù)雜.其基本思路是在220V整流橋堆后去掉濾波電容(以消除因電容充電造成的電流波形畸變及相位變化),由一個“斬波”電路把脈動的直流變成高頻(約100KHz)交流經(jīng)過整流濾波后,其直流電壓再向常規(guī)的PWM開關(guān)穩(wěn)壓電源供電,其過程是AC→DC→AC→DC。

對于供電線路來說,該整流電路輸出沒有直接接濾波電容,所以其對于供電線路來說呈現(xiàn)的是純阻性的負(fù)載,其電壓和電流波形同相、相位相同.斬波電路的工作也類似于一個開關(guān)電源,所以說有源PFC開關(guān)電源就是一個雙開關(guān)電源的開關(guān)電源電路,它是由斬波器(我們以后稱它為:“PFC開關(guān)電源”)和穩(wěn)壓開關(guān)電源(我們以后稱它為“PWM開關(guān)電源”)組成的.4、斬波器部分:(PFC開關(guān)電源)

整流二極管整流以后不加濾波電容器,把未經(jīng)濾波的脈動正半周電壓作為斬波器的供電電源,由于斬波器一連串做“開關(guān)”工作脈動的正電壓被“斬”成圖7所示的電流波形,其波形的特點：（1）電流波形是斷續(xù)的,其包絡(luò)線和電壓波形相同,并且包絡(luò)線和電壓波形相位同相；（2）由于斬波作用,半波脈動的直流電變成高頻(由斬波頻率決定,約100KHz).黑色實線為電壓波形紅色虛線為電流包絡(luò)波形圖7斬波器輸出的電壓和電流波形圖（3）從外供電總的看,該用電系統(tǒng)做到了交流電壓和交流電流同相,并且電壓波形和電流波形均符合正弦波形,既解決了功率因數(shù)補(bǔ)償問題,也解決了電磁兼容(EMC)和電磁干擾(EMI)問題。該高頻“交流”電再經(jīng)過整流二極管整流,并經(jīng)過濾波變成直流電壓(電源)向后級的PWM開關(guān)電源供電,該直流電壓在某些資料上把它稱為B+PFC(海信等離子TPW4211即是如此).斬波器輸出的B+PFC電壓一般高于原220V交流整流濾波后的+300V,其原因是選用高電壓、電感的線徑小、線路壓降小、濾波電容容量小、濾波效果好,對后級PWM開關(guān)管要求低等等諸多好處。

圖8連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)（2）不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)：斬波開關(guān)管的工作頻率隨被斬波電壓的大小變化,每一個開關(guān)周期內(nèi)“開”、“關(guān)”的時間相等,如圖9所示.T1和T2時間不同,也反映隨著電壓幅度的變化其斬波頻率也相應(yīng)變化.被斬波電壓為“零”時,開關(guān)停止(振蕩停止),所以稱為不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM),即有輸入電壓斬波管工作,無輸入電壓斬波管不工作.它一般應(yīng)用在250以下的小功率設(shè)備上,例如:海信TLM3277液晶電視接收機(jī)開關(guān)電源的PFC部分即工作在DCM模式（3）臨界導(dǎo)通模式(CRM)或過渡模式(TCM)：工作介于CCM和DCM之間,工作更接近DCM模式.在上一個導(dǎo)通周期結(jié)束后,下一個導(dǎo)通周期之前,電感電流將衰減為零,而且頻率隨著線路電壓和負(fù)載的變化而變化。優(yōu)點:廉價芯片、便于設(shè)計,沒有開關(guān)的導(dǎo)通損耗,