什么是PFC

　　PFC的英文全稱(chēng)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。 基本上功率因數(shù)可以衡量電力被有效利用的程度，當(dāng)功率因數(shù)值越大，代表其電力利用率越高。

　　功率因數(shù)是用來(lái)衡量用電設(shè)備用電效率的參數(shù)，低功率因數(shù)代表低電力效能。為了提高用電設(shè)備功率因數(shù)的技術(shù)就稱(chēng)為功率因數(shù)校正。

　　被動(dòng)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)償式”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)，“電感補(bǔ)償式”包括靜音式和非靜音式?！半姼醒a(bǔ)償式”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。

　　主動(dòng)式PFC

　　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(zhuān)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。

　　PFC電路基本結(jié)構(gòu)和工作原理

　　圖1為未加入PFC電路的整流電路的原理方框圖，圖2為工作波形。通過(guò)分析，我們可以看出．未加入PFC電路的整流電路穩(wěn)定工作以后，只有在市電電壓的正負(fù)峰值附近二極管才導(dǎo)通，產(chǎn)生脈沖電流。造成離線電源功率因數(shù)降低的原因在于電流的導(dǎo)通角太小，在半個(gè)周期內(nèi)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于180°，提高功率因數(shù)就要設(shè)法使電流的波形在整個(gè)周期內(nèi)追蹤電壓的波形。

　　既然造成導(dǎo)通角太小的原因是整流器后面接人的大容量濾波電容，有源PFC電路基本思想就是在整流器和大容量濾波電容之間加入一級(jí)初級(jí)調(diào)整，把兩者進(jìn)行隔離，此PFC初級(jí)調(diào)整變換器輸出一個(gè)基本穩(wěn)定的DC電壓，同時(shí)其輸入電流能按照和市電一樣的正弦規(guī)律變化。

　　圖3所示電路為加入PFC電路的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。通過(guò)比較，我們可以比較明確看出PFC電路在電源電路結(jié)構(gòu)中的位置和作用。盡管PFC電路的具體形式繁多，不盡相同，工作模式也不一樣（CCM電流連續(xù)型、DCM不連續(xù)型、CRM臨界型），但基本的結(jié)構(gòu)大同小異，大部分都是采用升壓的boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@種電路形式優(yōu)點(diǎn)比較多。這也是一種典型的升壓開(kāi)關(guān)電路，基本的思想就是前面說(shuō)的把整流電路和大濾波電容分割，通過(guò)控制PFC開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通使輸入電流能跟蹤輸入電壓的變化。工作原理并不復(fù)雜，徹底搞清楚這個(gè)基本電路的原理，就能觸類(lèi)旁通，給獨(dú)立分析電路打下基礎(chǔ)。在這個(gè)電路中，PFC電感L在MOS開(kāi)關(guān)管0導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存能量，在開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，電感L上感應(yīng)出右正左負(fù)的電壓，將導(dǎo)通時(shí)儲(chǔ)存的能量通過(guò)升壓二極管Dl對(duì)大的濾波電容充電，輸出能量，只不過(guò)其輸入的電壓是沒(méi)有經(jīng)過(guò)濾波的脈動(dòng)電壓。值得注意的是，平板電視大部分PFC電感L上大都并聯(lián)著一個(gè)二極管D2，該二極管D2具有保護(hù)作用。

　　大家知道：PFC電路后面大的儲(chǔ)能濾波電容C和PFC電感L是串聯(lián)的，由于電感L上的電流不能突變，就對(duì)大的濾波電容C的浪涌電流起了限制作用。

　　并聯(lián)保護(hù)分流二極管D2．由于沒(méi)有電感的限制作用，對(duì)濾波電容的沖擊反而會(huì)更大，但它可以保護(hù)升壓二圾管，特別是PFC開(kāi)關(guān)管。D1是快速恢復(fù)二極管（由于開(kāi)關(guān)管是在電感電流不為零的時(shí)候關(guān)斷的，需要承受更大的應(yīng)力，要求二極管有極低甚至為零的反向恢復(fù)電流），承受浪涌電流的能力較弱。減小反向恢復(fù)電流和提高浪涌電壓承載力是相互牽制的，而D2所采用的是普通的整流二極管，承受浪涌電流的能力很強(qiáng)，如1N5407的額定電流3A．浪涌電流可達(dá)200A。

　　該保護(hù)二極管D2表面上降低的是對(duì)PFC電感和升壓二極管的浪涌沖擊，但實(shí)際上還有一個(gè)重要的作用：保護(hù)PFC開(kāi)關(guān)管。

　　在開(kāi)機(jī)的瞬間，濾波電容的電壓尚未建立，由于要對(duì)大電容充電．通過(guò)PFC電感的電流相對(duì)比較大。如果在電源開(kāi)關(guān)接通的瞬間是在正弦波的最大值時(shí)，對(duì)電容充電的過(guò)程中PFC電感L有可能會(huì)出現(xiàn)磁飽和的情況，此時(shí)PFC電路工作就麻煩了，在磁飽和的情況下，流過(guò)PFC開(kāi)關(guān)管的電流就會(huì)失去限制，燒壞開(kāi)關(guān)管。為防止悲劇發(fā)生，一種方法是對(duì)PFC電路工作的工作時(shí)序加以控制，即當(dāng)對(duì)大電容的充電完成以后，再啟動(dòng)PFC電路：另一種比較簡(jiǎn)單的辦法就是在PFC線圈到升壓二極管上并聯(lián)一只二極管旁路。啟動(dòng)的瞬間，給大電容的充電提供另一個(gè)支路，防止大電流流過(guò)PFC線圈造成飽和，過(guò)流損壞開(kāi)關(guān)管，保護(hù)開(kāi)關(guān)管，同時(shí)該保護(hù)二極管D2也分流了升壓二極管D1上的電流，保護(hù)了升壓二極管。另外，D2的加入使得對(duì)大電容充電過(guò)程加快．其上的電壓及時(shí)建立，也能使PFC電路的電壓反饋環(huán)路及時(shí)工作，減小開(kāi)機(jī)時(shí)PFC開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間．使PFC電路盡快正常工作?！?，綜上所述，以上電路中二極管D2的作用是在開(kāi)機(jī)瞬間或負(fù)載短路、PFC輸出電壓低于輸入電壓的非正常狀況下給電容提供充電路徑，防止PFC電感磁飽和對(duì)PFCMOS管造成的危險(xiǎn)，同時(shí)也減輕了PFC電感和升壓二極管的負(fù)擔(dān)，起到保護(hù)作用。在開(kāi)機(jī)正常工作以后，由于D2右面為B+PFC輸出電壓，電壓比左面高，D2呈反偏截止?fàn)顟B(tài)，對(duì)電路的工作沒(méi)有影響，D2可選用可承受較大浪涌電流的普通大電流的整流二極管。在有些電源中，PFC后面的電容容量不大，也有的沒(méi)有接入保護(hù)二極管D2，但如果PFC后面是使用大容量的濾波電容，此二極管是不能減少的，對(duì)電路的安全性有著重要的意義。

　　單級(jí)PFC與兩級(jí)PFC區(qū)別

　　1.兩級(jí)型的PFC電路

　　兩級(jí)PFC 電路由一個(gè)功率因數(shù)調(diào)節(jié)器（PFC） 和DCIDC 變換器串聯(lián)而成，如圖2-4所示。前者主要負(fù)責(zé)正弦化輸入電流，使電壓電流同相位，后者主要負(fù)責(zé)調(diào)整輸出電壓，通過(guò)DCDC 變化得到可以利用的電壓。

　　這種類(lèi)型拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)有： 可以在得到高輸入功率因數(shù)與低輸入電流諧波的同時(shí)，得到較好的輸出電壓特性，例如較小的輸出電壓紋波，較快的輸出電壓調(diào)整率等： 可以在實(shí)現(xiàn)輸入、輸出絕緣的同時(shí)實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的掉電維持時(shí)間; 電路中的能量存儲(chǔ)電容的電壓可控。但是電路較為復(fù)雜，由于能量要被處理和傳遞兩次，因此整機(jī)效率較低，需要兩套控制電路，成本較高。它的應(yīng)用場(chǎng)合主要有： 后級(jí)電路對(duì)PFC 電路的輸出特性要求較高時(shí)，或整個(gè)產(chǎn)品對(duì)輸入電流質(zhì)量要求較高的場(chǎng)合“”。一般研究中，只對(duì)前一級(jí)進(jìn)行研究，使電路的功率因數(shù)盡可能接近1，減少諧波對(duì)電網(wǎng)的污染，后一級(jí)只是對(duì)前一級(jí)的輸出電壓做一變化，得到人們?nèi)粘Ｉ钪兴玫碾妷骸?/p>

　　在本文中，主要研究?jī)杉?jí)功率因數(shù)校正電路的功率因數(shù)校正級(jí)，使功率因數(shù)達(dá)到要求的同時(shí)，穩(wěn)定輸出電壓，以便后面DCDC變化。

　　2.單級(jí)型的PFC電路

　　同兩級(jí)PFC 電路相比，單級(jí)型的PFC 電路將PFC級(jí)和DC/DC級(jí)組合在一起，只有一個(gè)開(kāi)關(guān)和一套控制電路，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電流的整形和對(duì)輸出電壓的快速調(diào)節(jié)530。如圖2-5 所示，控制電路的作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)，得到穩(wěn)定的直流輸出電壓，要求電路必須具有固有的PFC 功能，即在不對(duì)PFC進(jìn)行控制的情況下，輸入電流能夠完全或部分跟隨輸入電壓的正弦變化。眾所周知，在固定占空比時(shí)，工作在DCM 模式的BOOST，BUCK-BOOST，SEPIC，CUK，ZETA 等變換器具有固有的PFC 功能。為了簡(jiǎn)化電路，大部分單級(jí)PFC變換器都是采用BOOST或BUCK-BOOST變換器，工作在DCM模式，實(shí)現(xiàn)輸入電流整形（Input-Current-Shaping ICS）。

　　大多數(shù)單級(jí)PFC拓?fù)淇梢灾苯訌膬杉?jí)PFC拓?fù)浣?jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的組合得倒，在所有PFC變換器中，瞬時(shí)輸入功率在一個(gè)交流周期都是脈動(dòng)的。在單級(jí)功率因數(shù)校正電路中，能量只被處理與傳遞一次，只用到一個(gè)開(kāi)關(guān)管，輸入電流的正弦化與輸出電壓調(diào)整在一個(gè)電路中完成。這種類(lèi)型拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)有： 電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，成本低。但該電路存在一個(gè)致命的缺點(diǎn)，在高輸入電壓和輕載時(shí)，由于輸入能量和輸出能量瞬間不平衡而導(dǎo)致儲(chǔ)能電容CP電壓應(yīng)力過(guò)高，因此為了滿(mǎn)足輸出保持時(shí)間的要求，需要大容量和高耐壓的電解電容［21。主要應(yīng)用于輸出功率較小的場(chǎng)合，或者后級(jí)對(duì)PFC 電路的輸出特性要求不高的場(chǎng)合。