pfc电路的作用及组成_pfc电路基本结构和工作原理

　　PFC简介

　　PFC的英文全称为“PowerFactorCorrection”，意思是“功率因数校正”，作用是对输入电流波形进行控制，使其同步输入电压波形。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。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，一种为被动式PFC（也称无源PFC）和主动式PFC（也称有源式PFC）。

　　PFC电路分类与作用

　　1、被动式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。“

　　填谷电路式”属于一种新型无源功率因数校正电路，其特点是利用整流桥后面的填谷电路来大幅度增加整流管的导通角，通过填平谷点，使输入电流从尖峰脉冲变为接近于正弦波的波形，将功率因数提高到0.9左右，显著降低总谐波失真。与传统的电感式无源功率因数校正电路相比，其优点是电路简单，功率因数补偿效果显著，并且在输入电路中不需要使用体积大重量沉的大电感器。

　　2、主动式PFC

　　主动式PFC则由电感电容及电子元器件组成，体积小、通过专用IC去调整电流的波形，对电流电压间的相位差进行补偿。主动式PFC可以达到较高的功率因数──通常可达98%以上，但成本也相对较高。此外，主动式PFC还可用作辅助电源，因此在使用主动式PFC电路中，往往不需要待机变压器，而且主动式PFC输出直流电压的纹波很小，这种电源不必采用很大容量的滤波电容。

　　解析pfc电路基本结构和工作原理

　　图1为未加入PFC电路的整流电路的原理方框图，图2为工作波形。通过分析，我们可以看出．未加入PFC电路的整流电路稳定工作以后，只有在市电电压的正负峰值附近二极管才导通，产生脉冲电流。造成离线电源功率因数降低的原因在于电流的导通角太小，在半个周期内远远小于180°，提高功率因数就要设法使电流的波形在整个周期内追踪电压的波形。

　　既然造成导通角太小的原因是整流器后面接人的大容量滤波电容，有源PFC电路基本思想就是在整流器和大容量滤波电容之间加入一级初级调整，把两者进行隔离，此PFC初级调整变换器输出一个基本稳定的DC电压，同时其输入电流能按照和市电一样的正弦规律变化。

　　图3所示电路为加入PFC电路的基本结构和工作原理。通过比较，我们可以比较明确看出PFC电路在电源电路结构中的位置和作用。尽管PFC电路的具体形式繁多，不尽相同，工作模式也不一样（CCM电流连续型、DCM不连续型、CRM临界型），但基本的结构大同小异，大部分都是采用升压的boost拓扑结构，因为这种电路形式优点比较多。这也是一种典型的升压开关电路，基本的思想就是前面说的把整流电路和大滤波电容分割，通过控制PFC开关管的导通使输入电流能跟踪输入电压的变化。工作原理并不复杂，彻底搞清楚这个基本电路的原理，就能触类旁通，给独立分析电路打下基础。在这个电路中，PFC电感L在MOS开关管0导通时储存能量，在开关管截止时，电感L上感应出右正左负的电压，将导通时储存的能量通过升压二极管Dl对大的滤波电容充电，输出能量，只不过其输入的电压是没有经过滤波的脉动电压。值得注意的是，平板电视大部分PFC电感L上大都并联着一个二极管D2，该二极管D2具有保护作用。

　　大家知道：PFC电路后面大的储能滤波电容C和PFC电感L是串联的，由于电感L上的电流不能突变，就对大的滤波电容C的浪涌电流起了限制作用。

　　并联保护分流二极管D2．由于没有电感的限制作用，对滤波电容的冲击反而会更大，但它可以保护升压二圾管，特别是PFC开关管。D1是快速恢复二极管（由于开关管是在电感电流不为零的时候关断的，需要承受更大的应力，要求二极管有极低甚至为零的反向恢复电流），承受浪涌电流的能力较弱。减小反向恢复电流和提高浪涌电压承载力是相互牵制的，而D2所采用的是普通的整流二极管，承受浪涌电流的能力很强，如1N5407的额定电流3A．浪涌电流可达200A。

　　该保护二极管D2表面上降低的是对PFC电感和升压二极管的浪涌冲击，但实际上还有一个重要的作用：保护PFC开关管。

　　在开机的瞬间，滤波电容的电压尚未建立，由于要对大电容充电．通过PFC电感的电流相对比较大。如果在电源开关接通的瞬间是在正弦波的最大值时，对电容充电的过程中PFC电感L有可能会出现磁饱和的情况，此时PFC电路工作就麻烦了，在磁饱和的情况下，流过PFC开关管的电流就会失去限制，烧坏开关管。为防止悲剧发生，一种方法是对PFC电路工作的工作时序加以控制，即当对大电容的充电完成以后，再启动PFC电路：另一种比较简单的办法就是在PFC线圈到升压二极管上并联一只二极管旁路。启动的瞬间，给大电容的充电提供另一个支路，防止大电流流过PFC线圈造成饱和，过流损坏开关管，

　　保护开关管，同时该保护二极管D2也分流了升压二极管D1上的电流，保护了升压二极管。另外，D2的加入使得对大电容充电过程加快．其上的电压及时建立，也能使PFC电路的电压反馈环路及时工作，减小开机时PFC开关管的导通时间．使PFC电路尽快正常工作。‘所以，综上所述，以上电路中二极管D2的作用是在开机瞬间或负载短路、PFC输出电压低于输入电压的非正常状况下给电容提供充电路径，防止PFC电感磁饱和对PFCMOS管造成的危险，同时也减轻了PFC电感和升压二极管的负担，起到保护作用。在开机正常工作以后，由于D2右面为B+PFC输出电压，电压比左面高，D2呈反偏截止状态，对电路的工作没有影响，D2可选用可承受较大浪涌电流的普通大电流的整流二极管。在有些电源中，PFC后面的电容容量不大，也有的没有接入保护二极管D2，但如果PFC后面是使用大容量的滤波电容，此二极管是不能减少的，对电路的安全性有着重要的意义。

　　有源PFC在现代逆变电源中的应用

　　带有PFC功能的逆变器构成方案

　　具有功率因数校正功能的逆变器构成方案通常有三种：三级构成方案Ⅰ、三级构成方案Ⅱ和两级构成方案。

　　1.三级构成方案Ⅰ

　　其结构如图3所示。第一级是50Hz工频变压器，用来实现电气隔离功能，从而保证电源设备的安全性，免受来自高压馈电线的危险。第二级是功率因数校正电路，用来强迫线电流跟随线电压，使线电流正弦化，提高功率因数，减少谐波含量，其输出是400V左右的高压直流。第三级是DC-AC模块，用来实现逆变功能，即通过控制逆变电路的工作频率和输出时间比例，使逆变器的输出电压或电流的频率和幅值按照人们的意愿或设备工作的要求来灵活地变化。

　　这是一种较早采用的方案，技术也比较成熟，其主要优点是电路结构简单，实现较为容易。主要缺点是电能经过三级变换，降低了逆变器的可靠性和效率；工频隔离变压器体积庞大、笨重、耗费材料多；PFC级的输出，即DC-AC的输入为400V左右的高压直流电，这就对许多需要逆变级具有低压输入的应用场合产生了限制。比如铁路用逆变器和航空用逆变器等多个重要的逆变器应用领域都需要110V的正弦交流电输出，若采用这种构成方案，则不仅可靠性难以得到保证，而且逆变器的效率会进一步降低，一般不会超过80%。

　　2.三级构成方案Ⅱ

　　其结构如图4所示。第一级是PFC级，其结构功能与三级构成方案Ⅰ中的PFC电路相同。第二级是DC-DC级，用来调节PFC输出电压和实现电气隔离。第三级是DC-AC模块，其结构功能与三级构成方案Ⅰ中的DC-AC电路相同。这是目前应用较多的一种方案，是中大功率应用的最佳选择。

　　这种方案的主要优点是去掉了笨重庞大的工频变压器；每一级均有各自的控制环节，使得该电路具有良好的性能；DC-AC的输入电压可根据逆变输出的不同要求进行调整，适用于各种功率场合，效率较三级构成方案Ⅰ有所提高。缺点是各级都需要一套独立的控制电路，增加了器件数目和控制电路的复杂性；由于电能同样经过三级变换，使得逆变器的可靠性和效率仍然不能令人满意。

　　3.两级构成方案

　　针对以上两种方案的不足，人们提出了一种两级构成方案。该方案将三级构成方案Ⅱ中的前两级合并为一级，使PFC和DC-DC级共用开关管和控制电路（如图5所示），并通过高频变压器得到可调PFC输出直流电压，实现电气隔离，如图5所示。这种方案保持了三级构成方案Ⅱ中的优点，而且改进了三级构成方案Ⅱ的不足之处。总之，可靠性高、效率高、成本低是这种逆变器构成方案最显著的优点。

　　结论

　　将这三种逆变器的构成方案进行比较后不难发现，它们的逆变部分结构和功能完全相同，区别仅在于整流环节，即通过不同方法产生经隔离和功率因数校正后的（可调）直流电压，来作为逆变级的输入。由于单级PFC电路将PFC级和DC-DC级结合在一起，能量只被处理一次，用一个控制器就能完成输入PFC和输出电压调节功能，因此非常适用于逆变电源的前级整流环节。采用单级PFC电路的逆变器具有更高的可靠性，更高的效率和更低的成本。所以，带单级PFC电路的两级逆变技术成为电力电子领域研究的一个热门课题。

　　尽管单级PFC电路具有上述优点，但是与传统的两级式PFC变换器相比，它要承受更高的电压应力，有更多的功率损耗。这些问题在开关频率较高时显得尤为突出，影响了变换器工作的可靠性和开关频率的进一步提高，也限制了其在大功率场合的应用。为此，近些年又提出了各种软开关技术，如零电流开关（ZCS）、零电压开关（ZVS）、零电压转换-脉宽调制（ZVT-PWM）、零电流转换-脉宽调制（ZCT-PWM）等，有效地解决了这些问题，使得单级PFC电路在逆变电源系统中具有了更广阔的应用前景。

　　因此在现代逆变电源系统中，功率因数校正电路是一个不可或缺的重要组成部分。功率因数校正可以分为无源功率因数校正技术（Passive PFC）和有源功率因数校正技术（Active PFC）。无源功率因数校正技术是采用无源器件，如电感和电容组成得谐振滤波器来实现PFC功能；有源功率因数校正技术则采用了有源器件，如开关管和控制电路来实现PFC功能。现代逆变电源系统应用的多为有源功率因数校正技术，可以将输入电流校正成与输入电压同相的正弦波，将功率因数提高至接近1。

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