有源pfc电路工作原理

有源pfc原理知识科普

PFC的全称是Power Factor Corrector，意思是功率因数校正器，它可以在交流转换为直流时提高电源对市电的利用率，减小转换过程的电能损耗，达到节能的目的。此外，PFC还能减少电源对市电电网的干扰，尤其是避免它在突然启动时对其他电器的影响。

在平时的应用过程中，工程师们所常常提到的有源PFC技术，其实就是在整流电路与负载之间增加一个功率变换器，然后应用电流反馈技术，通过一些适当的控制方法不断调节输入电流，使其跟踪输入正弦波电压波形，将输入电流校正成与电网电压同相的正弦波，因而功率因数可提高到近似为1。由于该方案中应用了有源器件，故称为有源功率因数校正，页被称为APFC。即对电路采取措施，使输入电流波形接近正弦波并与输入电压同相位，电流正弦化便使V=1，同相位就是因数CoSq=1。

在电路系统的实际应用和设计过程中，有源PFC的主要设计目的，其实就是为了减小输入电流谐波。而一旦输入电流谐波得到削弱，那么在这一电路系统中将会实现直流稳压输出，并进一步实现单位输入功率因数。为此在整流器和负载之间接入一个DC DC开关变换器，应用电压、电流反馈技术，使输入端电流波形跟踪交流输入正弦电压波形，可以使输入电流接近正弦，从而大大提高功率因数PF，一般校正后PF可提高到0 99或更高。由于谐波电流是导致开关电源功率因数下降的主要原因，所以，要改善此类系统的功率因数，就必须大力提高输入电流波形畸变因数。下图所展示的即为一般APFC的电路框图。

从上图所展示的有源PFC功率校正原理电路系统来看，APFC在目前应用中所使用到的基本电路就是一种开关电源，但它与传统的开关电源的区别在于，DC/DC变换之前没有滤波电容，电压是全波整流器输出的半波正弦脉动电压，这个正弦半波脉动直流电压和整流器的输出电流与输出的负载电压都受到实时的检测与监控，其控制的结果是达到全波整流器输入功率因数近似为1。

有源pfc电路工作原理

作为功率因数校正的一种有效方案，有源PFC电路相比较无源PFC来说，在功率因数校正方面有很好的效果，不仅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。有源PFC在运行时基本上解决了功率因数、电磁兼容、电磁干扰的问题，但其主要缺点是电路非常的复杂。

在进行有源PFC电路的设计时，一个基本的设计思路是在220V整流桥堆后去掉滤波电容，这样做主要是为了消除因电容充电造成的电流波形畸变及相位变化。然后由一个斩波电路，把脉动的直流变成高频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，其过程是AC-DC-AC-DC。其具体的设置过程如下图所示：

这种有源功率因数校正电路之所以能够能够实现滤波功能，其主要的工作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，在运行过程中，斩波电路等于附加一个开关电源。有源PFC电路对于供电线路来说，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，其电压和电流波开洞相、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。

ＰＦＣ开关电源功率因数校正原理

什么是功率因数补偿，什么是功率因数校正： 功率因数的定义为有功功率与视在功率的比值．

功率因素补偿：这项技术主要是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，提出的改进方法（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性质相反的电抗元件。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，从而改善效率低下的方法叫做功率因数补偿（交流电的功率因数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）。

常规开关电源功率因数低是由于开关电源都是在整流后，用一个大容量的滤波电容使输出电压平滑，因此负载特性呈现容性。这就造成了交流220V在整流后，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

图2 全波整流电压和AC输入电流波形

因为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，引起线路功率因数严重下降。

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）。