PFC（Power Factor Correction）功率因数校正电路

只看该作者 · 2023-5-30 20:10

功率因数定义为设备能够传输到输出端的能量与其从输入电源处获取的总能量之比。它是电子设备设计的关键绩效指标，很多国家和国际组织都为此制定了相应的法规。
例如欧盟定义了设备必须具备的最小功率因数或最大谐波水平，满足其标准才能在欧洲市场进行销售。这些组织之所以如此关注功率因数的提高，是因为劣质电源对电网会产生实际的威胁，它们会增加热损耗并可能导致电源故障。功率因数较差的设备效率也低下，而且会为电网带来不必要的压力，并可能给其他连网设备带来问题。

功率因数校正（PFC）是一系列尝试提高设备功率因数的方法，功率因数低主要有两个原因：

位移：当电路的电压和电流波形异相时会产生位移，通常是由电感或电容等电抗元件引起的。
失真：波的原始形状发生改变，通常是由整流器等非线性电路引起的。这些非线性波包含很多谐波含量，会使电网中的电压失真。
解决位移问题，通常采用外部无功元件来补偿电路的总无功功率。

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解决失真问题有两种方法：

无源功率因数校正（PFC）：使用无源滤波器滤除谐波以提高功率因数。这种方法适用于低功率应用，在高功率应用中，其效果远远不够。
有源功率因数校正（PFC）：使用开关变换器调制失真波，以将其整形为正弦波。整形后的信号中存在的唯一谐波位于开关频率处，因此很容易滤除。有源功率因数校正被认为是最好的功率因数校正方法，但会增加设计的复杂性。

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功率因数

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交流电中的功率有三种类型：

第一种称为有功功率，通常指实际功率，即P。它表示传递给负载的净能量。如果负载是纯电阻性的，则线路中的所有功率均为有功功率，电压和电流彼此同相振荡。

第二种，如果负载是纯电抗性的，例如电感器或电容器，则为无功功率，通常表示为Q。这种功率用于在电抗性组件中产生并维持磁场与电场。这些场使电流相对于电压错相。对于电容性负载，电流超前90°；对于电感性负载，电流落后90°。这意味着由这些纯电抗负载产生的总功率为零，因为正无功功率被负无功功率抵消了。

第三种，功率类型是有功功率和无功功率之和，称为视在功率，即S。实际中，负载不会是纯电阻性或纯电抗性，而是两者的结合。而有功功率、无功功率和视在功率之间的关系通常表达为三角形。

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功率因数是有功功率与视在功率之间的关系，对于测量电路中功率传输的效率非常有用（请参见下图）。

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功率因数补偿
具有感性负载的交流用电器具的电压和电流不同相（如下图）从而引起的供电效率低下，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其该用电器具的电压、电流相位特性。用电容器并连在感性负载，利用其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来使总的特性接近于阻性，从而改善效率低下的方法叫功率因数补偿。

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容性负载对供电电压和电流的影响
现代电器多采用高效率的开关电源，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在对该电器供电时，由于滤波电容的充、放电作用，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。

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任何一个开关电源的第一步操作都是对输入电压进行整流，整流是将信号从交流电转换为直流电的过程，通过整流器来完成。观察整流器储能电容器的输出波形，会发现电容在很短的时间跨度内被充电，具体来讲，是从电容器输入端电压大于电容器电荷的那一点，到整流信号峰值之间。这会在电容器中产生一系列的短电流尖峰，看上去完全不似正弦曲线。

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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。

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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，如下所示。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。这些短电流尖峰不仅对电源，而且对整个电网都可能带来严重影响。

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在正半个周期内（1800），整流二极管的导通角大大的小于1800 甚至只有300－700，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的波形畸变，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）。

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自从用电器具从过去的感性负载（早期的电视机、收音机等的电源均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。

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PFC（功率因数校正）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数补偿技术，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，使系统呈纯电阻性技术（线路电流波形校正技术）。

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所以现代的PFC技术完成了电流波形的校正也解决了电压、电流的同相问题。

为了抑止电流波形的畸变及提高功率因数，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，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数校正（PFC）电路。

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容性负载的影响分析
下图是不用滤波电容的半波整流电路，A中D是整流管，R是负载。B是该电路接入交流电时电路中电压、电流波形图。