PFC 電路之有源VS無(wú)源

PFC電路在實(shí)際應用過(guò)程中，通常會(huì )分為有源PFC和無(wú)源兩種，其應用效果和操作模式也有所差別。今天就讓我們來(lái)看一下這兩種PFC電路的工作原理和設計思路吧。

一、有源PFC電路

作為功率因數校正的一種有效方案，有源PFC電路相比較無(wú)源PFC來(lái)說(shuō)，在功率因數校正方面有很好的效果，不僅可以完全消除電流波形的畸變，而且電壓和電流的相位可以控制保持一致。有源PFC在運行時(shí)基本上解決了功率因數、電磁兼容、電磁干擾的問(wèn)題，但其主要缺點(diǎn)是電路非常的復雜。

在進(jìn)行有源PFC電路的設計時(shí)，一個(gè)基本的設計思路是在220V整流橋堆后去掉濾波電容，這樣做主要是為了消除因電容充電造成的電流波形畸變及相位變化。然后由一個(gè)斬波電路，把脈動(dòng)的直流變成高頻交流經(jīng)過(guò)整流濾波后，其直流電壓再向常規的PWM開(kāi)關(guān)穩壓電源供電，其過(guò)程是AC→DC→AC→DC。其具體的設置過(guò)程如下圖所示：

有源PFC電路的基本工作原理大致如下：這種有源功率因數校正電路之所以能夠能夠實(shí)現濾波功能，其主要的工作原理是在開(kāi)關(guān)電源的整流電路和濾波電容之間增加一個(gè)DC-DC的斬波電路，在運行過(guò)程中，斬波電路等于附加一個(gè)開(kāi)關(guān)電源。有源PFC電路對于供電線(xiàn)路來(lái)說(shuō)，整流電路輸出沒(méi)有直接接濾波電容，所以其對于供電線(xiàn)路來(lái)說(shuō)呈現的是純阻性的負載，其電壓和電流波形同相、相位相同。斬波電路的工作也類(lèi)似于一個(gè)開(kāi)關(guān)電源，所以說(shuō)有源PFC開(kāi)關(guān)電源就是一個(gè)雙開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)電源電路，它是由斬波器和穩壓開(kāi)關(guān)電源組成的。

一、無(wú)源PFC電路

無(wú)源PFC電路在實(shí)際應用的過(guò)程中，由于其成本相對較低，因此曾經(jīng)一度得到了廣泛的應用。不過(guò)，這種PFC電路設計方式目前已經(jīng)逐漸開(kāi)始被有源PFC電路所代替。盡管如此，作為一種比較基礎的PFC方式，剛剛開(kāi)始接觸電路設計工作的新人工程師們還是有必要了解一下無(wú)源PFC電路工作原理知識的。所謂無(wú)源PFC電路，顧名思義，就是在其電路設計的過(guò)程中并不使用晶體管等有源電子元器件，換句話(huà)說(shuō)，這種PFC電路是由二極管、電阻、電容和電感等無(wú)源元件組成。無(wú)源PFC電路有很多類(lèi)型，其中比較簡(jiǎn)單的無(wú)源PFC電路由三只二極管和兩只電容組成，這種比較基礎的電路設計圖如下圖圖1所示。

接下來(lái)我們就以圖1中所展示的無(wú)源PFC電路設計圖為例，來(lái)為大家介紹一下這種PFC電路工作運行原理情況。從圖1中可以看到，當50Hz的AC線(xiàn)路電壓按正弦規律，由0向峰值Vm變化的1/4周期內，該系統的橋式整流器中，二極管VD2和VD3導通，與之相對應的是二極管VD1和VD4截止，此時(shí)電流對電容C1并經(jīng)二極管VD6對C2充電。當VAC，瞬時(shí)值達到Vm，因C1=C2，故電容C1、C2上的電壓相同，均為二分之一Vm，當AC線(xiàn)路電壓從峰值開(kāi)始下降時(shí)，電容C1通過(guò)負載和二極管VD5迅速放電，并且下降速率比AC電壓按正弦規律下降快得多，因此直到AC電壓瞬時(shí)值達到1/2Vm之前，二極管VD2和VD3一直導通。當瞬時(shí)AC電壓幅值小于1/2Vm時(shí)，電容C2通過(guò)VD7和負載放電。當AC輸入電壓瞬時(shí)值低于電路的DC總線(xiàn)電壓時(shí)，二極管VD2和VD3截止，此時(shí)AC電流不能通過(guò)整流二極管，于是IAC出現死區。在A(yíng)C電壓的負半周開(kāi)始后的一段時(shí)間內，VD1和VD4不會(huì )馬上導通。只有在A(yíng)C瞬時(shí)電壓高于橋式整流輸出端的DC電壓時(shí)，VD1和VD4才能因正向偏置而導通。一旦二極管VD1和VD4導通，電容C1和C2再次被充電，于是出現與正半周類(lèi)似的情況，此時(shí)我們可以得到圖2所示的AC線(xiàn)路輸入電壓VAC和電流IAC波形。 從下圖圖2所提供的輸入電壓和電流波形圖中我們可以看出，采用無(wú)源PFC電路取代單只電容濾波，整流二極管導通角明顯增大，且這一二極管導通角度明顯大于120°，而AC輸入電流波形則會(huì )變得平滑一些。在選擇C1=C2=10μF/400V的情況下，線(xiàn)路功率因數可達0.92~0.94，三次電流諧波僅約12%，五次諧波約18%，總諧波失真THD約28~30%。

在對無(wú)源PFC電路工作原理進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析后我們可以看到，盡管這種低成本的PFC電路具有一定的優(yōu)勢，但是其顯著(zhù)缺點(diǎn)就是DC輸出電壓紋波較大，數值偏低，而且這種PFC的電流諧波成份不能完全達到低畸變要求，同時(shí)還會(huì )相應的增大電路設計的難度。這也就是為什么近年來(lái)有源PFC設計越發(fā)占據優(yōu)勢的重要原因所在。