功率因數(shù)校正PFC是衡量電子產品電能利用效率的關鍵指標,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)則更為復雜,存在部分交流電流在負載中循環(huán)卻不傳輸電能的現(xiàn)象,這類電流被稱為電抗電流或諧波電流。它的存在導致視在功率(電壓Volt乘電流Amps)超出實際功率,而功率因數(shù)即為實際功率與視在功率的比值,用于量化兩者之間的關系。
二、功率因數(shù)校正電路原理
PFC電路通過調節(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)關鍵組成部分
整流電路:負責將交流電轉換為直流電。然而,由于整流電路具有非線性特性,輸入電流會呈現(xiàn)脈沖狀,進而引發(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行濾波,但這種方式可能會加劇電流波形畸變程度。
PFC控制電路:通過精準控制輸入電流波形,促使其接近正弦波并與電壓保持同相位。這通常是借助調節(jié)開關管的導通時間來達成。
(二)無源PFC與有源PFC
無源PFC:由二極管、電阻、電容和電感等無源器件構成。其優(yōu)勢在于成本低廉,但校正效果相對有限,通常僅適用于簡單的應用情境。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,平滑電容充電時產生的脈沖波動,改善供電線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,補償濾波電容電流超前電壓的特性,進而提升功率因數(shù),優(yōu)化電磁兼容與電磁干擾表現(xiàn)。

不過,這種補償方式并非真正的無源PFC電路,只能視為一種基礎的補償手段,適用于前期未配備PFC功能的設備。通過簡單增加合適電感(合理選取L和C的值),實現(xiàn)抑制電流瞬時突變的目的。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)補償能力欠佳等問題,而且電感繞制及鐵芯質量若把控不嚴,可能會對圖像和伴音造成嚴重干擾,總體而言,只能作為前期無PFC設備進入市場的臨時過渡方案。

不過,這種補償方式并非真正的無源PFC電路,只能視為一種基礎的補償手段,適用于前期未配備PFC功能的設備。通過簡單增加合適電感(合理選取L和C的值),實現(xiàn)抑制電流瞬時突變的目的。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)補償能力欠佳等問題,而且電感繞制及鐵芯質量若把控不嚴,可能會對圖像和伴音造成嚴重干擾,總體而言,只能作為前期無PFC設備進入市場的臨時過渡方案。
有源PFC:運用晶體管等有源器件,結合更為復雜的控制策略來調整輸入電流波形。優(yōu)勢在于校正效果顯著,適用于對功率因數(shù)要求嚴苛的場合,但相應地成本較高,設計難度也更大。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“斬波”電路,將脈動的直流電轉換為高頻(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開關穩(wěn)壓電源供電,整個過程經(jīng)歷AC→DC→AC→DC的轉變。

有源PFC電路的核心原理是在開關電源的整流電路與濾波電容之間增設一個DC-DC的斬波電路。對于供電線路而言,由于該整流電路輸出未直接連接濾波電容,因此呈現(xiàn)出純阻性負載特性,實現(xiàn)電壓和電流波形同相、相位一致。斬波電路的工作機制類似開關電源,所以有源PFC開關電源實質上是一個雙開關電源電路,由斬波器與穩(wěn)壓開關電源協(xié)同組成。


有源PFC電路的核心原理是在開關電源的整流電路與濾波電容之間增設一個DC-DC的斬波電路。對于供電線路而言,由于該整流電路輸出未直接連接濾波電容,因此呈現(xiàn)出純阻性負載特性,實現(xiàn)電壓和電流波形同相、相位一致。斬波電路的工作機制類似開關電源,所以有源PFC開關電源實質上是一個雙開關電源電路,由斬波器與穩(wěn)壓開關電源協(xié)同組成。

三、功率因數(shù)校正電路的作用
PFC電路廣泛應用于各類電子設備,尤其在開關電源領域發(fā)揮著至關重要的作用。借助PFC電路,開關電源的輸入電流波形得以優(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),增強設備的電磁兼容性(EMC),對于電子設備的可靠運行及性能表現(xiàn)具有重要的保障和促進作用。
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