PFC（Power Factor Correction）功率因数校正电路

只看该作者 · 2023-5-30 20:15

在(00～1800)t0~t3时间：t0时间电压为零电流为零，在t1时间电压达到最大值电流也达到最大值，在t3时间电压为零电流为零。（二极管导通1800）

在（1800～3600）t3~t4:时间：二极管反偏无电压及电流。（二极管截止）

在(3600～5400) t4～t6时间：t4时间电压为零电流为零，在t5时间电压达到最大值电流也达到最大值，在t6时间电压为零电流为零。（二极管导通1800）

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在(00～1800)t0~t3时间：t0时间电压为零电流为零，在t1时间电压达到最大值电流也达到最大值，在t3时间电压为零电流为零。（二极管导通1800）

在（1800～3600）t3~t4:时间：二极管反偏无电压及电流。（二极管截止）

在(3600～5400) t4～t6时间：t4时间电压为零电流为零，在t5时间电压达到最大值电流也达到最大值，在t6时间电压为零电流为零。（二极管导通1800）

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结论：在无滤波电容的整流电路中，供电电路的电压和电流同相，二极管导通角为1800，对于供电线路来说，该电路呈现纯阻性的负载特性。

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下图是用了大容量滤波电容的半波整流电路。左边中D是整流管，R是负载，C是滤波电容，右边是该电路接入交流电时电路中电压、电流波形图。

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在(00～1800) t0～t3 时间：t1 时间电压为零电流为零，在t1时间电压达到最大值电流也达到最大值，因为此时对负载R供电的同时还要对电容 C 进行充电，所以电流的幅度比较大。在 t1 时间由于对电容C进行充电，电容上电压 Uc 达到输入交流电的峰值，由于电容上电压不能突变，使在t1 ~ t3期间，二极管右边电压为 Uc，而左边电压在 t2 时间电压由峰值逐渐下降为零，t1 ~ t3 期间二极管反偏截止，此期间电流为零。（增加滤波电容C后第一个交流电的正半周，二极管的导通角为900 ）

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在(1800～3600) t3～t4 时间：二极管反偏无电压及电流。（二极管截止）
在(3600～4100) t4～t5 时间：由于在 t3 ~ t4 时间二极管反偏，不对C充电，C上电压通过负载放电，电压逐渐下降（下降的幅度由C的容量及R的阻值大小决定，如果C的容量足够大，而且R的阻值也足够大，其Uc下降很缓慢。）在t4~t5期间尽管二极管左边电压在逐步上升，但是由于二极管右边的Uc放电缓慢右边的电压Uc仍旧大于左边，二极管仍旧反偏截止。
在(4100～5400) t5～t7 时间：t5 时间二极管左边电压上升到超过右边电压二极管导通对负载供电并对 C 充电，其流过二极管的电流较大，到了 t6 时间二极管左边电压又逐步下降，由于Uc又充电到最大值，二极管在 t6~t7 时间又进入反偏截止。

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结论：在有滤波电容的整流电路中，供电电路的电压和电流波形完全不同，电流波形，在短时间内呈强脉冲状态，二级极管导通角小于1800（根据负载R和滤波电容C的时间常数而决定）。该电路对于供电线路来说，由于在强电流脉冲的极短期间线路上会产生较大的压降（对于内阻较大的供电线路尤为显著）使供电线路的电压波形产生畸变，强脉冲的高次谐波对其它的用电器具产生较强的干扰。

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功率因数校正方法
功率因数校正（PFC）是电子设备制造商用来提高其功率因数的一系列方法，又分为有源PFC和无源PFC两种方式。
开关电源内部电源输入部分采用了二极管全波整流及滤波电路，其电压和电流波形如下。

只看该作者 · 2023-5-30 20:17

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低功率因数是由信号中存在的位移或失真引起的。位移对功率因数的影响相对较容易解决，因为电容使相位前移，而电感使相位后移。如果系统的电流波形滞后于电压，则只需在电路中添加一个具有适当阻抗的电容，即可将电流波形的相位前移，直至与电压同相。

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无源PFC一般由二极管、电阻、电容和电感等无源器件组成，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，并且在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。

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此电路虽然简单，可以在前期设计的无PFC功能的设备上，简单的增加一个合适的电感（适当的选取L和C的值），从而达到具有PFC的作用，但是这种简单的、低成本的无源PFC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。

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有源PFC电路的原理
有源PFC则是有很好的效果，基本上可以完全的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，它可以基本上完全解决了功率因数、电磁兼容、电磁干扰的问题，但是电路非常的复杂，其基本思路是在220V整流桥堆后去掉滤波电容（以消除因电容的充电造成的电流波形畸变及相位的变化），去掉滤波电容后由一个“斩波”电路把脉动的直流变成高频（约100K）交流再经过整流滤波后，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。

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有源PFC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，如下图（附加开关电源），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(“PFC开关电源”）和稳压开关电源("PWM开关电源”）组成的。

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为什么PFC电路要升压
PFC电路的作用是使电流波形同步于电压波形，但是在没有添加PFC电路前，整流滤波后的电压总有一段时间小于滤波电容C，导致整流二极管截止，输入电流呈现尖峰状。

PFC升压就是为了维持整流二极管的导通，维护滤波电容充电状态，改善输入电流，为此，PFC输出电压要高于交流输入时的峰值才行。而交流电正常220V，加上干扰，约270V左右，其峰值做大约381V，故PFC电压要设定为380V以上，这样PFC就可以始终从输入侧吸收电能，给滤波电容C充电，维持整流二极管导通，解决整流二极管断续导通，输入电流呈尖脉冲状的问题。

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斩波电路（boost升压电路 / 串联式升压电路）
整流二极管整流以后不加滤波电容器，把未经滤波的脉动正半周电压作为斩波器的供电源，由于斩波器的一连串的做“开关”工作脉动的正电压被“斩”成下图的电流波形，其波形的特点是：

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电流波形是断续的，其包络线和电压波形相同，并且包络线和电压波形相位同相。
由于斩波的作用，半波脉动的直流电变成高频（由斩波频率决定，约100KHz) "交流”电，该高频“交流”电要再次经过整流才能被后级PWM开关稳压电源使用。
从外供电总的看该用电系统做到了交流电压和交流电流同相并且电压波形和电流波形均符合正弦波形，既解决了功率因素补偿问题，也解决电磁兼容（EMC）和电磁干扰（EMI）问题。

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该高频“交流”电在经过整流二极管整流并经过滤波变成直流电压（电源）向后级的PWM开关电源供电。该直流电压在某些资料上把它称为：B+PFC，在斩波器输出的B+PFC电压一般高于原220交流整流滤波后的+300V，其原因是选用高电压，其电感的线径小、线路压降小、滤波电容容量小，且滤波效果好，对后级PWM开关管要求低等等诸多好处。黑为电压波形红色虚线为电流包络波形

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目前PFC开关电源部分，起到开关作用的斩波管（K）有两种工作方式：

连续导通模式（Continuous Conduction Mode，CCM）
开关管的工作频率一定，而导通的占空比（系数）随被斩波电压的幅度变化而变化,如下图，图中T1 和 T2 的位置是：T1在被斩波电压（半个周期）的低电压区，T2在被斩波电压高电压区，T1（时间）＝T2（时间）从图中可以看到所有的开关周期时间都相等，这说明在被斩波电压的任何幅度时，斩波管的工作频率不变，从下图中可以看出；在高电压区和低电压区每个斩波周期内的占空比不同（T1和T2的时间相同，而上升脉冲的宽度不同），被斩波电压为零时（无电压），斩波频率仍然不变，所以称为连续导通模式（CCM）该种模式一般应用在250W～2000W的设备上。

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