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对于PFC(功率因数校正)你了解多少

唐先生 来源:NGI123 作者:NGI123 2022-08-11 09:13 次阅读

引言:PFC(Power Factor Correction)即功率因数校正,主要用来表示电子产品对电能的利用效率。功率因数越高,说明电能的利用效率越高。通过CCC认证的电脑电源,都必须增加PFC电路。位置在第二层滤波之后,全桥整流电路之前。PFC有两种,一种是无源PFC(也称被动式PFC),一种是有源PFC(也称主动式PFC)。

丨什么是功率因数

功率因数:功率因数表示电源输出有功功率的能力。功率是能量的传输率的度量,在直流电路中它是电压V和电流A和乘积。在交流系统里则要复杂些:即有部分交流电流在负载里循环不传输电能,它称为电抗电流或谐波电流,它使视在功率( 电压Volt乘电流Amps)大于实际功率。视在功率和实际功率的不等引出了功率因素,功率因素等于实际功率与视在功率的比值。

视在功率:即交流电压有效值和交流电流有效值的乘积,用公式表示为:S=UI。上式中,S是额定输出功率,单位是VA(伏安),U是额定输出电压,单位是V,如220V、380V等;I是额定输出电流,单位是A。

视在功率包括两部分:有功功率(P)和无功功率(Q),有功功率是指直接做功的部分。比如使灯发亮,使电机转动,使电子电路工作等。因为这个功率做功后都变成了热量,可以直接被人们感觉到,所以有些人就产生一个错觉,即把有功功率当成了视在功率,孰不知有功功率只是视在功率的一部分,用式表示:P=SCosΦ=UICosΦ=UI•F。上式中,P是有功功率,单位主要有瓦(W),千瓦(kW),兆瓦(MW)。F=CosΦ被称为功率因数,而Φ是在非线性负载时电压电流不同相时的相位差。无功功率是储藏在电路中但不直接做功的那部分功率,用式表示:Q=SSinΦ=UISinΦ。上式中,Q为无功功率,单位为Var、kVar。

丨无源PFC(也称被动式PFC)

无源PFC指不使用晶体管等有源器件组成的校正电路,一般由二极管电阻电容和电感等无源器件组成。

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,使功率因数、电磁兼容和电磁干扰得以改善,如下图所示。

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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很差,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,只能是对于前期无PFC设备使之能进入市场的临时措施。

丨有源PFC(也称主动式PFC)

有源PFC电路则有很好的效果,基本上可以完全消除电流波形的畸变,而且电压和电流的相位可以控制保持一致,它基本上完全解决了功率因数、电磁兼容、电磁干扰的问题,但是电路非常复杂。

其基本思路是在220V整流桥堆后去掉滤波电容(以消除因电容充电造成的电流波形畸变及相位变化),由一个“斩波”电路把脉动的直流变成高频(约100kHz)交流经过整流滤波后,其直流电压再向常规的PWM开关稳压电源供电,其过程ACDC→AC→DC。

有源PFC电路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一个DC-DC的斩波电路,如图所示(斩波电路等于附加一个开关电源)。对于供电线路来说,该整流电路输出没有直接接滤波电容,所以其对于供电线路来说呈现的是纯阻性的负载,其电压和电流波形同相、相位相同。斩波电路的工作也类似于一个开关电源,所以说有源PFC开关电源就是一个双开关电源的开关电源电路,它是由斩波器和稳压开关电源组成的。

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注:斩波电路(又叫直流斩波电路)是指在电力运用中,出于某种需要,将正弦波的一部分"斩掉".(例如在电压为50V的时候,用电子元件使后面的50~0V部分截止,输出电压为0.)后来借用到DC-DC开关电源中,主要是在开关电源调压过程中,原来一条直线的电源,被线路"斩"成了一块一块的脉冲。将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。也称为直流--直流变换器(DC/DC Converter)。

丨无源PFC和有源PFC区别

在电源设计和电力系统的调试过程中,常见的PFC应用方式有两种,一种是无源PFC,这种功率因数校正方式也称被动式PFC,而另一种是有源PFC,也被称为主动式PFC。功率在250W~300W的电源多采用被动式PFC,主动式PFC常用于400W及以上的电源。

二者的差别在于,被动式PFC一般分“电感补偿式”和“填谷电路式(Valley Fill Circuit)”。“电感补偿方法”是使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数,被动式PFC包括静音式被动PFC和非静音式被动PFC。被动式PFC的功率因数只能达到0.7~0.8,它一般在高压滤波电容附近。

“填谷电路式”属于一种新型无源功率因数校正电路,其特点是利用整流桥后面的填谷电路来大幅度增加整流管的导通角,通过填平谷点,使输入电流从尖峰脉冲变为接近于正弦波的波形,将功率因数提高到0.9左右,显著降低总谐波失真。与传统的电感式无源功率因数校正电路相比,其优点是电路简单,功率因数补偿效果显著,并且在输入电路中不需要使用体积大重量沉的大电感器。

主动式PFC则由电感电容及电子元器件组成,体积小、通过专用IC去调整电流的波形,对电流电压间的相位差进行补偿。主动式PFC可以达到较高的功率因数──通常可达98%以上,但成本也相对较高。此外,主动式PFC还可用作辅助电源,因此在使用主动式PFC电路中,往往不需要待机变压器,而且主动式PFC输出直流电压的纹波很小,这种电源不必采用很大容量的滤波电容。

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审核编辑:汤梓红

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