功率因數(shù)校正PFC是衡量電子產(chǎn)品電能利用效率的關(guān)鍵指標(biāo),功率因數(shù)越高,代表電能利用效率越卓越。
一、功率因數(shù)詳解
功率因數(shù)反映了電源輸出有功功率的能力。在直流電路中,功率由電壓(V)與電流(A)的直接乘積確定。交流系統(tǒng)則更為復(fù)雜,存在部分交流電流在負(fù)載中循環(huán)卻不傳輸電能的現(xiàn)象,這類(lèi)電流被稱(chēng)為電抗電流或諧波電流。它的存在導(dǎo)致視在功率(電壓Volt乘電流Amps)超出實(shí)際功率,而功率因數(shù)即為實(shí)際功率與視在功率的比值,用于量化兩者之間的關(guān)系。
二、功率因數(shù)校正電路原理
PFC電路通過(guò)調(diào)節(jié)輸入電流波形,使其與輸入電壓波形盡可能吻合,以此降低諧波成分,提升功率因數(shù)。
(一)關(guān)鍵組成部分
整流電路:負(fù)責(zé)將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。然而,由于整流電路具有非線(xiàn)性特性,輸入電流會(huì)呈現(xiàn)脈沖狀,進(jìn)而引發(fā)電流波形畸變,致使功率因數(shù)下滑。
濾波電路:常規(guī)做法是采用大電容進(jìn)行濾波,但這種方式可能會(huì)加劇電流波形畸變程度。
PFC控制電路:通過(guò)精準(zhǔn)控制輸入電流波形,促使其接近正弦波并與電壓保持同相位。這通常是借助調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間來(lái)達(dá)成。
(二)無(wú)源PFC與有源PFC
無(wú)源PFC:由二極管、電阻、電容和電感等無(wú)源器件構(gòu)成。其優(yōu)勢(shì)在于成本低廉,但校正效果相對(duì)有限,通常僅適用于簡(jiǎn)單的應(yīng)用情境。在整流橋堆與濾波電容之間添加一只電感(需合理選擇電感量),借助電感上電流不可突變的特性,平滑電容充電時(shí)產(chǎn)生的脈沖波動(dòng),改善供電線(xiàn)路電流波形畸變狀況,并且利用電感上電壓超前電流的特性,補(bǔ)償濾波電容電流超前電壓的特性,進(jìn)而提升功率因數(shù),優(yōu)化電磁兼容與電磁干擾表現(xiàn)。

不過(guò),這種補(bǔ)償方式并非真正的無(wú)源PFC電路,只能視為一種基礎(chǔ)的補(bǔ)償手段,適用于前期未配備PFC功能的設(shè)備。通過(guò)簡(jiǎn)單增加合適電感(合理選取L和C的值),實(shí)現(xiàn)抑制電流瞬時(shí)突變的目的。但該方法存在輸出紋波較大、濾波電容兩端直流電壓較低、電流畸變校正及功率因數(shù)補(bǔ)償能力欠佳等問(wèn)題,而且電感繞制及鐵芯質(zhì)量若把控不嚴(yán),可能會(huì)對(duì)圖像和伴音造成嚴(yán)重干擾,總體而言,只能作為前期無(wú)PFC設(shè)備進(jìn)入市場(chǎng)的臨時(shí)過(guò)渡方案。

不過(guò),這種補(bǔ)償方式并非真正的無(wú)源PFC電路,只能視為一種基礎(chǔ)的補(bǔ)償手段,適用于前期未配備PFC功能的設(shè)備。通過(guò)簡(jiǎn)單增加合適電感(合理選取L和C的值),實(shí)現(xiàn)抑制電流瞬時(shí)突變的目的。但該方法存在輸出紋波較大、濾波電容兩端直流電壓較低、電流畸變校正及功率因數(shù)補(bǔ)償能力欠佳等問(wèn)題,而且電感繞制及鐵芯質(zhì)量若把控不嚴(yán),可能會(huì)對(duì)圖像和伴音造成嚴(yán)重干擾,總體而言,只能作為前期無(wú)PFC設(shè)備進(jìn)入市場(chǎng)的臨時(shí)過(guò)渡方案。
有源PFC:運(yùn)用晶體管等有源器件,結(jié)合更為復(fù)雜的控制策略來(lái)調(diào)整輸入電流波形。優(yōu)勢(shì)在于校正效果顯著,適用于對(duì)功率因數(shù)要求嚴(yán)苛的場(chǎng)合,但相應(yīng)地成本較高,設(shè)計(jì)難度也更大。在220V整流橋堆后去除濾波電容(以此消除電容充電引發(fā)的電流波形畸變及相位變化),借助一個(gè)“斬波”電路,將脈動(dòng)的直流電轉(zhuǎn)換為高頻(約100kHz)交流電,經(jīng)再次整流濾波后,所得直流電壓向常規(guī)的PWM開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源供電,整個(gè)過(guò)程經(jīng)歷AC→DC→AC→DC的轉(zhuǎn)變。

有源PFC電路的核心原理是在開(kāi)關(guān)電源的整流電路與濾波電容之間增設(shè)一個(gè)DC-DC的斬波電路。對(duì)于供電線(xiàn)路而言,由于該整流電路輸出未直接連接濾波電容,因此呈現(xiàn)出純阻性負(fù)載特性,實(shí)現(xiàn)電壓和電流波形同相、相位一致。斬波電路的工作機(jī)制類(lèi)似開(kāi)關(guān)電源,所以有源PFC開(kāi)關(guān)電源實(shí)質(zhì)上是一個(gè)雙開(kāi)關(guān)電源電路,由斬波器與穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源協(xié)同組成。


有源PFC電路的核心原理是在開(kāi)關(guān)電源的整流電路與濾波電容之間增設(shè)一個(gè)DC-DC的斬波電路。對(duì)于供電線(xiàn)路而言,由于該整流電路輸出未直接連接濾波電容,因此呈現(xiàn)出純阻性負(fù)載特性,實(shí)現(xiàn)電壓和電流波形同相、相位一致。斬波電路的工作機(jī)制類(lèi)似開(kāi)關(guān)電源,所以有源PFC開(kāi)關(guān)電源實(shí)質(zhì)上是一個(gè)雙開(kāi)關(guān)電源電路,由斬波器與穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源協(xié)同組成。

三、功率因數(shù)校正電路的作用
PFC電路廣泛應(yīng)用于各類(lèi)電子設(shè)備,尤其在開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。借助PFC電路,開(kāi)關(guān)電源的輸入電流波形得以?xún)?yōu)化,諧波成分得以削減,電網(wǎng)的穩(wěn)定性與效率得以提升。除此之外,PFC電路還能有效降低電磁干擾(EMI),增強(qiáng)設(shè)備的電磁兼容性(EMC),對(duì)于電子設(shè)備的可靠運(yùn)行及性能表現(xiàn)具有重要的保障和促進(jìn)作用。
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