功率因数校正电路PFC原理介绍

01 PFC的相关介绍

功率因数定义为设备能够传输到输出端的能量与其从输入电源处获取的总能量之比。

功率因数低主要有两个原因：

位移：当电路的电压和电流波形异相时会产生位移，通常是由电感或电容等电抗元件引起的。

失真：波的原始形状发生改变，通常是由整流器等非线性电路引起的。这些非线性波包含很多谐波含量，会使电网中的电压失真。    

功率因数校正（PFC）是一系列尝试提高设备功率因数的方法。 解决位移问题，通常采用外部无功元件来补偿电路的总无功功率。

解决失真问题有两种方法：

无源功率因数校正（PFC）：使用无源滤波器滤除谐波以提高功率因数。这种方法适用于低功率应用，在高功率应用中，其效果远远不够。

有源功率因数校正（PFC）：使用开关变换器调制失真波，以将其整形为正弦波。整形后的信号中存在的唯一谐波位于开关频率处，因此很容易滤除。有源功率因数校正被认为是最好的功率因数校正方法，但会增加设计的复杂性。

02 PFC 分类

1) 无源PFC

无源PFC一般分 “电感补偿式” 和 “填谷电路式(Valley Fill Circuit)”

“电感补偿式”是使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数，“电感补偿式”包括静音式和非静音式。“电感补偿式”的功率因数只能达到0.7～0.8，它一般在高压滤波电容附近。

“填谷电路式”属于一种新型无源功率因数校正电路，其特点是利用整流桥后面的填谷电路来大幅度增加整流管的导通角，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，将功率因数提高到0.9左右，显著降低总谐波失真。

2) 主动式/有源式(Active PFC)

这种方法可以改变电流波形的形状，使其跟随电压。这样，谐波被移到更高的频率上，因而更容易被滤除。使用最广泛的有源功率因数校正电路是升压变换器。它与变压器类似，可以升高直流电压，同时降低电流。最简单的升压变换器由电感、晶体管和二极管组成。

根据电流的导通模式，APFC可以分成3种模式：CCM，CRM(BCM)，DCM。

① 连续导通模式(Continuous Conduction Mode, CCM)

在连续导通模式下，一直会有电流流过电感，因此MOSFET需要在电感电流变成0之前开通。通常来讲，CCM会工作在一个固定的频率下，以控制AC输入电流呈正弦波。和其他模式相比，CCM的优点是能够降低电感电流的纹波。其缺点是，当MOSFET开通时，滤波电容的电压会反向加在二极管上，由于正向导通时的少数载流子们依旧聚集在PN结两侧，在这个反向电压的作用下少数载流子会发生漂移运动，二极管会形成较大的反向电流。这个反向电流再加上电感电流会一起流过MOSFET，因此MOSFET会产生较大的开通损失(turn-on loss)。为了减少这种开通损失，建议选用SiC肖特基二极管(Schottky Barrier Diode, SBD)，因为肖特基二极管的反向恢复时间较短。该种模式一般应用在 250W～2000W 的设备上。

②临界导通模式(Critical Conduction Mode, CRM/Boundary Conduction Mode, BCM)

在临界导通模式下，MOSFET会在电感电流降到0时开通，因此MOSFET的开通损失较小。CRM需要监测电路输出电压，然后根据电压调整MOSFET脉冲宽度。当输出电压过高时，会减小MOSFET脉冲宽度；当输出电压过低时，会增加MOSFET脉冲宽度。所以谐振频率也不会固定，因为需要根据输出电压调整。

③ 不连续导通模式(Discontinuous Conduction Mode, DCM)

在不连续导通模式下，每个周期内都存在电流为0的时期。与其他两种模式相比，DCM的峰值电流较大，MOSFET关断损失(turn-off loss)较大，电路的整体效率较低。但是，DCM不会受到二极管反向恢复时间的影响，MOSFET的开通损失也很小。一般应用在 250W 以下的小功率设备上。

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