帶PFC的開(kāi)關(guān)電源作用介紹 淺談帶PFC的開(kāi)關(guān)電源性能特點(diǎn)

本文主要是關(guān)于PFC穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源的相關(guān)介紹，并著重對(duì)PFC穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源的作用及性能特點(diǎn)進(jìn)行了詳盡的闡述。

PFC穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源

PFC就是功率因數(shù)校正的意思，主要用來(lái)表征電子產(chǎn)品對(duì)電能的利用效率。功率因數(shù)越高，說(shuō)明電能的利用效率越高。

PC電源采用傳統(tǒng)的橋式整流、電容濾波電路會(huì)使AC輸入電流產(chǎn)生嚴(yán)重的波形畸變，向電網(wǎng)注入大量的高次諧波，因此網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)不高，僅有0.6左右，并對(duì)電網(wǎng)和其它電氣設(shè)備造成嚴(yán)重諧波污染與干擾。早在80年代初，人們已對(duì)這類裝置產(chǎn)生的高次諧波電流所造成的危害引起了關(guān)注。1982年，國(guó)際電工委員會(huì)制訂了IEC55－2限制高次諧波的規(guī)范（后來(lái)的修訂規(guī)范是IEC1000－3－2），促使眾多的電力電子技術(shù)工作者開(kāi)始了對(duì)諧波濾波和功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)的研究。電子電源產(chǎn)品中引入PFC電路，就可以大大提高對(duì)電能的利用效率。

PFC有兩種，一種是無(wú)源PFC（也稱被動(dòng)式PFC），一種是有源PFC（也稱主動(dòng)式PFC）。無(wú)源PFC一般采用電感補(bǔ)償方法使交流輸入的基波電流與電壓之間相位差減小來(lái)提高功率因數(shù)，但無(wú)源PFC的功率因數(shù)不是很高，只能達(dá)到0.7~0.8；有源PFC由電感電容及電子元器件組成，體積小，可以達(dá)到很高的功率因數(shù)，但成本要高出無(wú)源PFC一些。

有源PFC電路中往往采用高集成度的IC，采用有源PFC電路的PC電源，至少具有以下特點(diǎn)：

1）輸入電壓可以從90V到270V；

2）高于0.99的線路功率因數(shù)，并具有低損耗和高可靠等優(yōu)點(diǎn)；

3）IC的PFC還可用作輔助電源，因此在使用有源PFC電路中，往往不需要待機(jī)變壓器；

4）輸出不隨輸入電壓波動(dòng)變化，因此可獲得高度穩(wěn)定的輸出電壓；

5）有源PFC輸出DC電壓紋波很小，且呈100Hz/120Hz（工頻2倍）的正弦波，因此采用有源PFC的電源不需要采用很大容量的濾波電容。

在上世紀(jì)80年代起，用電器具大量的采用效率高的開(kāi)關(guān)電源，由于開(kāi)關(guān)電源都是在整流后用一個(gè)大容量的濾波電容，使該用電器具的負(fù)載特性呈現(xiàn)容性，這就造成了交流220V在對(duì)該用電器具供電時(shí)，由于濾波電容的充、放電作用，在其兩端的直流電壓出現(xiàn)略呈鋸齒波的紋波。濾波電容上電壓的最小值遠(yuǎn)非為零，與其最大值（紋波峰值）相差并不多。根據(jù)整流二極管的單向?qū)щ娦?，只有在AC線路電壓瞬時(shí)值高于濾波電容上的電壓時(shí)，整流二極管才會(huì)因正向偏置而導(dǎo)通，而當(dāng)AC輸入電壓瞬時(shí)值低于濾波電容上的電壓時(shí)，整流二極管因反向偏置而截止。也就是說(shuō)，在AC線路電壓的每個(gè)半周期內(nèi)，只是在其峰值附近，二極管才會(huì)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(gè)周期內(nèi)（1800），整流二極管的導(dǎo)通角大大的小于1800甚至只有300-700，由于要保證負(fù)載功率的要求，在極窄的導(dǎo)通角期間會(huì)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(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的交流電壓的波形畸變（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(wèn)題）。

圖2：

自從用電器具從過(guò)去的感性負(fù)載（早期的電視機(jī)、收音機(jī)等的電源均采用電源變壓器的感性器件）變成帶整流及濾波電容器的容性負(fù)載后，其功率因素補(bǔ)償?shù)暮x不僅是供電的電壓和電流不同相位的問(wèn)題，更為嚴(yán)重的是要解決因供電電流呈強(qiáng)脈沖狀態(tài)而引起的電磁干擾（EMI）和電磁兼容（EMC）問(wèn)題。

這就是在上世紀(jì)末發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)（其背景源于開(kāi)關(guān)電源的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用）。其主要目的是解決因容性負(fù)載導(dǎo)致電流波形嚴(yán)重畸變而產(chǎn)生的電磁干擾（EMl）和電磁兼容（EMC）問(wèn)題。所以現(xiàn)代的PFC技術(shù)完全不同于過(guò)去的功率因數(shù)補(bǔ)償技術(shù)，它是針對(duì)非正弦電流波形畸變而采取的，迫使交流線路電流追蹤電壓波形瞬時(shí)變化軌跡，并使電流和電壓保持同相位，使系統(tǒng)呈純電阻性技術(shù)（線路電流波形校正技術(shù)），這就是PFC（功率因數(shù)校正）。

所以現(xiàn)代的PFC技術(shù)完成了電流波形的校正也解決了電壓、電流的同相問(wèn)題。

于以上原因，要求用電功率大于85W以上（有的資料顯示大于75W）的容性負(fù)載用電器具，必須增加校正其負(fù)載特性的校正電路，使其負(fù)載特性接近于阻性（電壓和電流波形同相且波形相近）。這就是現(xiàn)代的功率因數(shù)校正（PFC）電路。

帶PFC的開(kāi)關(guān)電源作用介紹

PFC的英文全稱為“Power Factor Correction”，意思是“功率因數(shù)校正”，功率因數(shù)指的是有效功率與總耗電量（視在功率）之間的關(guān)系，也就是有效功率除以總耗電量（視在功率）的比值。 基本上功率因素可以衡量電力被有效利用的程度，當(dāng)功率因素值越大，代表其電力利用率越高。帶PFC的開(kāi)關(guān)電源成本也相對(duì)高一些。

開(kāi)關(guān)電源是一種電容輸入型電路，其電流和電壓之間的相位差會(huì)造成交換功率的損失，此時(shí)便需要PFC電路提高功率因數(shù)。目前的PFC有兩種，被動(dòng)式PFC（也稱無(wú)源PFC）和主動(dòng)式PFC（也稱有源式PFC）。

被動(dòng)式PFC一般分“電感補(bǔ)償式”和“填谷電路式（Valley Fill Circuit）” “電感補(bǔ)償方法”是使交流輸入的基波電流與電壓之間相位差減小來(lái)提高功率因數(shù)，被動(dòng)式PFC包括靜音式被動(dòng)PFC和非靜音式被動(dòng)PFC。被動(dòng)式PFC的功率因數(shù)只能達(dá)到0.7～0.8，它一般在高壓濾波電容附近。

“填谷電路式”屬于一種新型無(wú)源功率因數(shù)校正電路，其特點(diǎn)是利用整流橋后面的填谷電路來(lái)大幅度增加整流管的導(dǎo)通角，通過(guò)填平谷點(diǎn)，使輸入電流從尖峰脈沖變?yōu)榻咏谡也ǖ牟ㄐ?，將功率因?shù)提高到0.9左右，顯著降低總諧波失真。與傳統(tǒng)的電感式無(wú)源功率因數(shù)校正電路相比，其優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，功率因數(shù)補(bǔ)償效果顯著，并且在輸入電路中不需要使用體積大重量沉的大電感器。

而主動(dòng)式PFC則由電感電容及電子元器件組成，體積小、通過(guò)專用IC去調(diào)整電流的波形，對(duì)電流電壓間的相位差進(jìn)行補(bǔ)償。主動(dòng)式PFC可以達(dá)到較高的功率因數(shù)──通?？蛇_(dá)98%以上，但成本也相對(duì)較高。此外，主動(dòng)式PFC還可用作輔助電源，因此在使用主動(dòng)式PFC電路中，往往不需要待機(jī)變壓器，而且主動(dòng)式PFC輸出直流電壓的紋波很小，這種電源不必采用很大容量的濾波電容

影響PF的并非是某個(gè)元器件，傳統(tǒng)定義的相位差只是一種表現(xiàn)形式，而電容補(bǔ)償又能補(bǔ)償回來(lái)，這說(shuō)明并非電感和電容是罪魁禍?zhǔn)?，所以并不是某個(gè)元器件的問(wèn)題，只是把問(wèn)題放大了，即使在沒(méi)有電感和電容的負(fù)載里無(wú)中生有找到了“原因”，就是半導(dǎo)體整流二極管的諧波問(wèn)題，再無(wú)限放大，所以最后大家都不知道PF是什么了，其實(shí)也就是三人成虎罷了，電網(wǎng)需要無(wú)功功率的說(shuō)法已經(jīng)被打破了，99.9%的PF電源早已誕生，基本也就證明了電網(wǎng)運(yùn)行并不需要所謂的“無(wú)功功率”，必須正視PF的原因才能解決PF的問(wèn)題，所以無(wú)法回答你如何去提高PF值。原理上用電阻（PF=1）去加熱轉(zhuǎn)換成電能，PF恒定等于1，可見(jiàn)這是轉(zhuǎn)換的過(guò)程，并非負(fù)載的原因，當(dāng)然這個(gè)轉(zhuǎn)換其實(shí)也是負(fù)載，所以分析問(wèn)題要實(shí)事求是，更需要數(shù)據(jù)來(lái)證明，并不是簡(jiǎn)單的推理，無(wú)功功率是過(guò)去人為增加的定義，事實(shí)并沒(méi)有證明無(wú)功功率的機(jī)理和數(shù)據(jù)，只是把理想值（視在功率）與負(fù)載消耗的功率（有功功率）的差值人為定義為無(wú)功功率，功率因數(shù)相應(yīng)就產(chǎn)生了，其實(shí)是在人為的無(wú)功功率基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，也就是一種推理。

PFC穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源的作用和特點(diǎn)

在PFC開(kāi)關(guān)電源當(dāng)中，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源是非常重要的一個(gè)組成部分。PFC當(dāng)中的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源功能和普通的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的區(qū)別并不巨大，只是在供電上有所區(qū)別。普通的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源需要220V整流供電，而PFC穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源是由B＋PFC供電。本文就將針對(duì)PFC電源進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

整流以后不加濾波電容器，把未經(jīng)濾波的脈動(dòng)正半周電壓作為斬波器的供電源，由于斬波器的一連串的做“開(kāi)關(guān)”工作脈動(dòng)的正電壓被“斬”成電流波形，其波形的特點(diǎn)是：

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、由于斬波的作用，半波脈動(dòng)的直流電變成高頻（由斬波頻率決定，約100KHz）“交流”電，該高頻“交流”電要再次經(jīng)過(guò)整流才能被后級(jí)PWM開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源使用。

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，既解決了功率因素補(bǔ)償問(wèn)題，也解決電磁兼容（EMC）和電磁干擾（EMI）問(wèn)題。

該高頻“交流”電在經(jīng)過(guò)整流二極管整流并經(jīng)過(guò)濾波變成直流電壓（電源）向后級(jí)的PWM開(kāi)關(guān)電源供電。該直流電壓在某些資料上把它稱為：B＋PFC（TPW－4211即是如此），在斬波器輸出的B＋PFC電壓一般高于原220交流整流濾波后的＋300V，其原因是選用高電壓，其電感的線徑小、線路壓降小、濾波電容容量小，且濾波效果好，對(duì)后級(jí)PWM開(kāi)關(guān)管要求低等諸多好處。

目前PFC開(kāi)關(guān)電源部分，起到開(kāi)關(guān)作用的斬波管（K）有兩種工作方式：

1、連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）：開(kāi)關(guān)管的工作頻率一定，而導(dǎo)通的占空比（系數(shù)）隨被斬波電壓的幅度變化而變化。

2、不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）：斬波開(kāi)關(guān)管的工作頻率隨被斬波電壓的大小變化（每一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)“開(kāi)”與“關(guān)”時(shí)間相等）。

功率因素校正開(kāi)關(guān)電源中的PFC開(kāi)關(guān)電源部分和PWM開(kāi)關(guān)電源部分的激勵(lì)部分均由一塊集成電路完成，一塊IC可以完成設(shè)計(jì)。

結(jié)語(yǔ)

關(guān)于PFC穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源的線管介紹就到這了，如有不足之處歡迎指正。

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