开关电源pfc的工作原理介绍

电子常识

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描述

  什么是PFC电路

  PFC就是功率因数校正的意思,主要用来表征电子产品对电能的利用效率。功率因数越高,说明电能的利用效率越高。

  PC电源采用传统的桥式整流、电容滤波电路会使AC输入电流产生严重的波形畸变,向电网注入大量的高次谐波,因此网侧的功率因数不高,仅有0.6左右,并对电网和其它电气设备造成严重谐波污染与干扰。早在80年代初,人们已对这类装置产生的高次谐波电流所造成的危害引起了关注。1982年,国际电工委员会制订了IEC55-2限制高次谐波的规范(后来的修订规范是IEC1000-3-2),促使众多的电力电子技术工作者开始了对谐波滤波和功率因数校正(PFC)技术的研究。电子电源产品中引入PFC电路,就可以大大提高对电能的利用效率。

  PFC有两种,一种是无源PFC(也称被动式PFC),一种是有源PFC(也称主动式PFC)。无源PFC一般采用电感补偿方法使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数,但无源PFC的功率因数不是很高,只能达到0.7~0.8;有源PFC由电感电容及电子元器件组成,体积小,可以达到很高的功率因数,但成本要高出无源PFC一些。

  有源PFC电路中往往采用高集成度的IC,采用有源PFC电路的PC电源,至少具有以下特点:

  1)输入电压可以从90V到270V;

  2)高于0.99的线路功率因数,并具有低损耗和高可靠等优点;

  3)IC的PFC还可用作辅助电源,因此在使用有源PFC电路中,往往不需要待机变压器;

  4)输出不随输入电压波动变化,因此可获得高度稳定的输出电压;

  5)有源PFC输出DC电压纹波很小,且呈100Hz/120Hz(工频2倍)的正弦波,因此采用有源PFC的电源不需要采用很大容量的滤波电容。

  开关电源中PFC电路的作用

  PFC的英文全称为“PowerFactorCorrection”,意思是“功率因数校正”,功率因数指的是有效功率与总耗电量(视在功率)之间的关系,也就是有效功率除以总耗电量(视在功率)的比值。基本上功率因素可以衡量电力被有效利用的程度,当功率因素值越大,代表其电力利用率越高。带PFC的开关电源成本也相对高一些。

  开关电源是一种电容输入型电路,其电流和电压之间的相位差会造成交换功率的损失,此时便需要PFC电路提高功率因数。目前的PFC有两种,被动式PFC(也称无源PFC)和主动式PFC(也称有源式PFC)。

  被动式PFC一般分“电感补偿式”和“填谷电路式(ValleyFillCircuit)”,“电感补偿方法”是使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数,被动式PFC包括静音式被动PFC和非静音式被动PFC。被动式PFC的功率因数只能达到0.7~0.8,它一般在高压滤波电容附近。

  开关电源pfc工作原理

  在上世纪80年代起,用电器具大量的采用效率高的开关电源,由于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在对该用电器具供电时,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。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(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(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)。

  图2:

开关电源

  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。

  这就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),这就是PFC(功率因数校正)。

  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。

  图3

开关电源

  于以上原因,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。

  容性负载的危害

  下面的图4是不用滤波电容的半波整流电路,图5是用了大容量滤波电容的半波整流电路。我们根据这两个电路来分析两电路中电流的波形。

  图4

开关电源

  图4A中D是整流管,R是负载。图4B是该电路接入交流电时电路中电压、电流波形图,

  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,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)

  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。

  图5

开关电源

  图5A中D是整流管,R是负载,C是滤波电容。图5B是该电路接入交流电时电路中电压、电流波形图。

  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)

  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。

  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,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。

  怎样进行功率因素校正

  我们目前用的电视机由于采用了高效的开关电源,而开关电源内部电源输入部分,无一例外的采用了二极管全波整流及滤波电路,如图6A,其电压和电流波形如图6B

  图6

开关电源

  为了抑止电流波形的畸变及提高功率因数,现代的功率较大(大于85W)具有开关电源(容性负载)的用电器具,必须采用PFC措施,PFC有;有源PFC和无源PFC两种方式。

  目前部分CRT厂家对部分电视机的改进

  不使用晶体管等有源器件组成的校正电路。一般由二极管、电阻、电容和电感等无源器件组成,向目前国内的电视机生产厂对过去设计的功率较大的电视机,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,如图7。

  图7

开关电源

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史久聪 2022-07-11
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226toy 2021-06-15
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