一步步解析无源PFC

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1. 引言
功率因数校正(英文缩写是PFC)是目前比较流行的一个专业术语。PFC是在20世纪80年代发展起来的一项新技术，其背景源于离线开关电源的迅速发展和荧光灯交流电子镇流器的广泛应用。PFC电路的作用不仅仅是提高线路或系统的功率因数，更重要的是可以解决电磁干扰(EMI)和电磁兼容(EMC)问题。
线路功率因数降低的原因及危害
导致功率因数降低的原因有两个，一个是线路电压与电流之间的相位角中，另一个是电流或电压的波形失真。前一个原因人们是比较熟悉的。而后者在电工学等书籍中却从未涉及。
功率因数(PF)定义为有功功率(P)与视在功率(S)之比值，即PF=P/S。对于线路电压和电流均为正弦波波形并且二者相位角Φ时，功率因数PF即为COSΦ。由于很多家用电器(如排风扇、抽油烟机等)和电气设备是既有电阻又有电抗的阻抗负载，所以才会存在着电压与电流之间的相位角Φ。这类电感性负载的功率因数都较低(一般为0.5-0.6)，说明交流(AC)电源设备的额定容量不能充分利用，输出大量的无功功率，致使输电效率降低。为提高负载功率因数，往往采取补偿措施。最简单的方法是在电感性负载两端并联电容器，这种方法称为并联补偿。
PFC方案完全不同于传统的“功率因数补偿”，它是针对非正弦电流波形而采取的提高线路功率因数、迫使AC线路电流追踪电压波形的瞬时变化轨迹，并使电流与电压保持同相位，使系统呈纯电阻性的技术措施。
长期以来，像开关型电源和电子镇流器等产品，都是采用桥式整流和大容量电容滤波电路来实现AC-DC转换的。由于滤波电容的充、放电作用，在其两端的直流电压出现略呈锯齿波的纹波。滤波电容上电压的最小值远非为零，与其最大值(纹波峰值)相差并不多。根据桥式整流二极管的单向导电性，只有在AC线路电压瞬时值高于滤波电容上的电压时，整流二极管才会因正向偏置而导通，而当AC输入电压瞬时值低于滤波电容上的电压时，整流二极管因反向偏置而截止。也就是说，在AC线路电压的每个半周期内，只是在其峰值附近，二极管才会导通(导通角约为70°)。虽然AC输入电压仍大体保持正弦波波形，但AC输入电流却呈高幅值的尖峰脉冲，如图l所示。这种严重失真的电流波形含有大量的谐波成份，引起线路功率因数严重下降。若AC输入电流基波与输入电压之间的位移角是Φ1，根据傅里叶分析，功率因数PF与电流总谐波失真(度)THD之间存在下面关系：



实测表明，对于未采取PFC措施的电子镇流器，仅三次谐波就达60％(以基波为100％)，THD会超过电流基波，PF不超过0.6。线路功率因数过低和电流谐波含量过高，不仅会对造成电能巨大浪费，而且会对电力系统产生严重污染，影响到整个电力系统的电气环境，包括电力系统本身和广大用户。因此，IEC1000-3-2《家用电器及类似类电气设备发出的谐波电流限制》和IEC929(GB/T15144)《管形荧光灯交流电子镇流器的性能要求》等标准，都对AC线路电流谐波作出了具体的限制要求。
为提高线路功率因数，抑制电流波形失真，必须采用PFC措施。PFC分无源和有源两种类型，目前流行的是有源PFC技术。
本文主要针对无源PFC


无源PFC电路

无源PFC电路不使用晶体管等有源器件，而是由二极管、电阻、电容和电感等无源元件组成。无源PFC电路有很多类型，其中比较简单的无源PFC电路由三只二极管和两只电容组成，如图2所示。这种无源PFC电路的工作原理是：当50Hz的AC线路电压按正弦规律由0向峰值Vm变化的1/4周期内(即在0<t≤5ms期间)，桥式整流器中二极管VD2和VD3导通(VD1和VD4截止)，电流对电容C1并经二极管VD6对C2充电。当VAC，瞬时值达到Vm，因C1=C2，故C1和C2上的电压相同，均为1/2Vm，当AC线路电压从峰值开始下降时，电容C1通过负载和二极管VD5迅速放电，并且下降速率比AC电压按正弦规律下降快得多，故直到AC电压瞬时值达到1/2Vm之前，VD2和VD3一直导通。当瞬时AC电压幅值小于1/2Vm时，电容C2通过VD7和负载放电。当AC输入电压瞬时值低于无源PFC电路的DC总线电压时，VD2和VD3截止，AC电流不能通过整流二极管，于是IAC出现死区。在AC电压的负半周开始后的一段时间内，VD1和VD4不会马上导通。只有在AC瞬时电压高于桥式整流输出端的DC电压时，VD1和VD4才能因正向偏置而导通。

一旦VD1和VD4导通，C1和C2再次被充电，于是出现与正半周类似的情况，得到图3所示的AC线路输入电压VAC和电流IAC波形。

从图3可以看出，采用无源PFC电路取代单只电容滤波，整流二极管导通角明显增大(大于120°)，AC输入电流波形会变得平滑一些。在选择C1=C2=10μF/400V的情况下，线路功率因数可达0.92~0.94，三次电流谐波仅约12％，五次谐波约18％，总谐波失真THD约28~30％。但是，这种低成本的无源PFC电路的DC输出电压纹波较大，质量较差，数值偏低(仅约240V)，电流谐波成份并不能完全达到低畸变要求。当其应用于电子镇流器时，因其DC输出电压脉动系数偏大，灯电流波峰比达2以上，超出1.7的限制要求。欲提高无源PFC的效果，电路则变得复杂，人们理所当然地会选择有源PFC方案。