【开关电源】PFC电路的作用及其原理

1.  PFC简介

        PFC(Power Factor Correction)又称功率因数矫正，主要是对输入电流的波形进行控制，使其与输入电压波形同步，提高功率因数，减少谐波含量，是能够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。功率因数是指有功功率与视在功率（总耗电量）的比值。当功率因数越大，电力利用率越高。开关电源是一种电容输入型电路，其电流和电压之间相位差会造成交换功率的损失。

       交流电在纯电阻负载上电流和电压是同相位的，即纯电阻是消耗功率器件；交流电在纯电容负载上电流超前电压90°；交流电在纯电感负载上电压超前电流90°，电感和电容都是储存功率的器件。

2.  PFC电路分类及其作用

       目前PFC有被动式PFC（无源PFC）以及主动式PFC(有源式PFC)。

       1.被动式PFC有两种类型：一种是电感补偿式，在整流桥堆和滤波电容之间加入一个电感（适当选取电感量），其工作原理是利用电感减小交流输入的基波电流与电压的相位差，从而提高功率因数；另一种是填谷电路式，其工作原理是利用整流桥后面的填谷电路来增大整流管的导通角，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，该电路与电感补偿式相比，具有电路简单的优点，功率因数补偿效果好。

        2.主动式PFC由电感电容及其元器件组成，通过专用的IC去调整电流波形，对电流电压间的相位差进行补偿，主动式PFC可用作辅助电源，而且其输出直流电压纹波很小。

3.  PFC电路基本结构和工作原理

3.1 容性负载对供电电压以及电流的影响

        开关电源都是利用整流电路后的一个大电容进行滤波的，这使得电路的负载特性为容性，由于滤波电容的充放电特性，使电容两端的输出电压波形为锯齿波的纹波，所以电容两端的最小电压并不为零，最大电压为锯齿波的峰值。

 

       由于整流桥二极管的单向导电的特性，当AC线路的电压的瞬时值小于电容两端的电压时，整流二极管反向偏置截止，当AC线路的电压瞬时值大于电容两端的电压时，整流二极管正向导通。因此，AC侧的输入电流呈现高幅值的尖峰脉冲。电流的导通角太小，要提高功率因数就要设法电流的波形在整个周期内能够追踪到电压的波形。

 3.2 PFC负载的基本结构

        由以上的内容可知，造成电流的导通角太小的原因是在整流桥后面接入了一个大容量的滤波电容，有源的PFC电路的基本思想是在整流桥和大容量的滤波电容之间加入PFC开关电源，把整流桥和大容量电容隔离开，PFC输出一个基本稳定的DC电压，通过开关管的导通使输入电流能和市电一样呈正弦波变化。

       PFC电路有三种工作模式：连续导通模式（Continuoous Conduction Mode,CCM），不连续导通模式（Discontinuous Conduction Mode，DCM），临界导通模式（Critical Conduction Mode，CRM/Boundary Conduction Mode,BCM）。

       为了维持整流二极管的导通，维护滤波电容的充电状态以及改善输入电流，因此PFC大部分都是采用升压的BOOST拓扑结构。因此，PFC输出电压高于交流输入端的峰值电压。例如，假设在理想条件下（无干扰），交流供电220V，其峰值为220V，故PFC电压要在220V以上，这样PFC能够始终从输入侧吸收电能，给滤波电容充电，维持整流二极管导通，解决整流二极管断续通断以及输出电流呈尖脉冲问题。

       PFC电路中的MOS开关管导通，电感L储存能量，MOS开关管截止时，电感L电压左负右正，将导通时储存的能量通过升压二极管D1对滤波电容充电。由于电感L和电容C是串联的，电感L上的电流不能突变，这就对滤波电容C的浪涌电流起到了限制的作用。

       因为开关管是在电感电流不为零的情况下关断的，这时候D1需要承受很大的应力，要求二极管有极低甚至为零的反向恢复电流，因此升压二极管D1采用快恢复二极管。由于减小反向恢复电流和提高浪涌电流承受的能力是相互牵制的，所以快恢复二极管能够承受浪涌电流的能力弱，然而保护二极管D2采用普通的二极管，承受浪涌电流很强。每次电源开关接通瞬间加在电感两端的电压可以是交流正弦波的任意瞬时值，当为正弦波的峰值时，会造成浪涌电压，此时，保护二极管D2导通，使通过电感L的电流大大的减小，降低电感L和升压二极管的浪涌冲击。

       保护二极管第二个作用就是保护MOS开关管。开开机瞬间，滤波电容电压尚未建立，如果开机的电压又恰好是正弦波的最大值，滤波电容正在充电，流过电感L的电流会很大，甚至会造成磁饱和，如果这时候PFC电路中的开关管正在工作，因为开关管是在零电流关闭，在磁饱和的情况下，流过开关管的电流不受控制，会烧坏开关管，

       针对此问题，以下有两种措施：第一种是控制PFC的工作时序，当滤波电容充电完成后，再启动PFC电路；第二种是如上图所示，在电感L和升压二极管D1上并联一个普通二极管，大电压开机瞬间给滤波电容提供另一条支流充电，防止电感L磁饱和以及开关管过流。