PFC电路的基础知识详解

1.为什么要设PFC电路

功率因数(PF)定义为有效功率(P)与视在功率(S)的比值,即PF=P/S。对于电路电压和电流均为正弦波波形并且两者相差相位角φ时,PF即cosφ。PF基本上可以衡量电能被有效利用的程度,PF值越大,代表其电能利用率越高。

传统的开关电源,市电整流后直接采用大容量电解电容滤波以获得平滑的直流电压,为开关电源提供平滑的直流电压,如图2-6所示。大容量滤波电容相当于桥式整流电路最直接的负载,所以其负载为容性,电压波形和电流波形之间存在相位差φ(电流超前电压φ),电流最大值和电压最大值并不出现在同一时刻,所以在计算功率时还需要乘以一个电路的PF,即P=UIcosφ。这种电路的PF值较低,在0.5~0.75之间。

图2-6 传统的开关电源结构示意图

PFC技术是在20世纪80年代发展起来的一项新技术,其背景源于离线式开关电源的迅速发展。PFC电路原理是控制调整电流输入的时间和波形,使其与电压波形尽可能一致,让PF值趋近于1。PFC电路的作用不仅仅是提高电路或系统的PF,更重要的是解决电磁干扰(EMI)和电磁兼容(EMC)问题。

2.无源PFC电路和有源PFC电路

PFC电路分为无源PFC电路和有源PFC电路两种。

(1)无源PFC电路

无源PFC电路(也称被动式PFC电路)不使用晶体管等有源元器件,而是由二极管、电阻、电容和电感等无源元器件组成,实现相位的调整。无源PFC电路的PF值不是很高,只能达到0.7~0.8,输出的直流电压纹波较大,质量较差,数值偏低,电流谐波成分不能完全达到低畸变要求。因此,无源PFC电路主要用于对PF要求不高的场合,在液晶彩电电源板中应用得非常少,只是应用在个别小型液晶彩电中。

(2)有源PFC电路

有源PFC电路(也称主动式PFC电路)由电感、电容及有源元器件组成,体积小。更为重要的是,它基本上可以消除电流波形的畸变,而且电压和电流的相位可以保持一致,可以达到很高的PF值,基本上解决了EMC、EMI的问题,但是电路非常复杂,制作成本要高于无源PFC电路。

图2-7所示是一种典型的加入PFC电路的开关电源结构示意图。有源PFC电路的基本思路是在市电整流桥块后去掉大容量的滤波电容(以消除因电容充电造成的电流波形畸变及相位变化),由一个斩波电路把脉动的直流变成高频(约为100kHz)交流,经过整流滤波后,其直流电压再向常规的PWM开关稳压电源供电。有源PFC电路中往往采用高集成度的PFC控制芯片。

采用有源PFC电路的电源,具有以下特点:输入电压可以为90~270V,高于0.99的电路PF值,并具有低损耗和高可靠等优点。

3.有源PFC电路原理(www.xing528.com)

有源PFC电路常用拓扑结构:升压式(Boost)、降压式(Buck)、升降压式(Buck/Boost)、反激式(Fl back)。在液晶彩电中,常采用升压型有源PFC电路,因为这种电路形式优点比较多。

图2-7 典型的加入PFC电路的开关电源结构示意图

(1)PFC电路的结构

尽管PFC电路(指有源PFC电路,下同)的具体形式繁多,工作模式[CCM(连续电流模式)、DCM(非连续电流模式)、CRM(临界导通模式)]也不一样,但基本结构大同小异。在开关电源的整流电路和滤波电容(C2)之间增加一个DC-DC斩波电路(即PFC电路),对于供电电路来说,整流电路输出没有直接接滤波电容,所以对于供电电路来说呈现的是纯阻性负载,其电压和电流波形相同、相位相同。

PFC电路主要由储能电感L1、PFC开关管VT1、升压二极管VD1、PFC控制器等组成。储能电感L1也叫PFC电感,PFC开关管VT1也叫PFC开关管或斩波管(通常采用大功率的场效应晶体管),升压二极管VD1也叫PFC整流二极管,滤波电容C2也叫PFC滤波电容。

大部分液晶彩电电源板采用专用PFC控制芯片,少数采用了具有PFC和PWM功能的二合一控制芯片。常用的专用PFC控制芯片有FAN6961、FAN7529、FAN7530、FAN7930、L6562、L6563、NCP1653、NCP33262、TDA4863、UCC28051等。常用的PFC+PWM控制二合一芯片有TDA16888、STR-E1555、STR-E1565、SMA-E1017、ML4800、PLC810P等。

PFC储能电感是一个类似变压器的大电感线圈,安装位置在市电整流滤波电路之后,它是PFC电路的特征元件。PFC滤波电容为大电解电容,有用一只的,也有用两只的,常用的有68μF/450V、82μF/450V、150μF/450V等。

(2)PFC电路的原理

PFC电路工作过程如下:AC 220V市电经桥式整流滤波后,得到约300V的脉动直流电压,送给PFC电路。PFC电路工作时,PFC控制器输出开关脉冲信号送到PFC开关管VF1,使开关管VF1工作在开关状态。当VF1导通时,C1两端电压通过L1、VF1的D-S构成导通电路,电流通过储能电感L1,电流线性增加,电能以磁能的形式存储在电感L1中。在此期间,二极管VD1截止,电容C2放电为负载提供能量。当VF1截止时,由于L1中的电流不能突变,于是在L1中产生左负、右正的感应电压,此感应电压与300V脉冲直流电压叠加在一起,通过VD1、C2整流滤波后就得到了+380~+400V的直流电压。这个电压叫做PFC电压,标记为PFC、+B PFC、VBUS、HV、V 380等。

有些电源板(主要是大功率电源板),还在储能电感L1上并联着一个二极管VD2。该二极管为保护二极管,其作用是防止开机瞬间损坏PFC开关管VF1。因为在冷开机第一次通电时,电容C2上完全没有电,如没有VD2这个二极管提前给电容C2进行预充电,那么所有瞬间大电流会通过储能电感L1。在启动的一瞬间,储能电感会进入饱和状态,从而造成PFC电路的MOS管损坏。所以在PFC电路中,当功率大到一定值时,通常应增加这个二极管。二极管VD2只在开机瞬间起作用,PFC电路正常工作时是不起作用的(此时其正极电压为300V左右,负极电压为380V左右,VD2反偏,故截止)。

提示与引导 有的PFC电路,还在PFC控制器与PFC开关管之间增设了一级驱动电路;有的PFC电路,PFC开关管有两只,两只并联应用。为了降低功耗,液晶彩电的PFC电路往往是在待机状态下处于关闭状态(即不工作),在液晶彩电进入开机状态时,PFC电路才被启动。PFC电路实质上仍是一种开关电源,故也称之为PFC开关电源。为了与之相区别,有时把其后的稳压开关电源称为“PWM开关电源”。

【知识拓展】

有源PFC有三种工作模式,即CCM、DCM和CRM。这里的电流是指流过电感的电流。CCM中,电感电流始终大于零,并通常采用固定开关频率,通过控制功率管,如MOSFET或IGBT的导通时间(即占空比),实现输出功率的调整。考虑到成本,这种模式多用于功率超过300W的电源中。DCM中电感电流每周期归零,因此多采用导通时间固定而关断时间可变的方式。CRM中工作在DCM和CCM的临界状态,用于功率小于300W的电源中。在功率大于300W的电源中,CCM具有较大优势,其开关频率固定且一般低于100kHz,开关损耗小,有良好的电磁抗干扰特性,降低了对滤波器的要求,但该模式通常要求使用反向恢复性能较好的二极管。DCM多用于功率小于300W的应用场合,其工作频率可变,使得电磁抗干扰特性有很大改善,而PFC电感可以工作在零电流模式,无需减小反向电流的反向二极管,但由于其电流不连续,要达到同样的输出功率必然要求脉动电流较大,这提高了对整流滤波电容以及输入滤波器的要求。对于AC 220V系统,采用500V/600V的MOSFET即可,对于整流二极管的选用,则只需注意其正向电压降和正向导通特性。