一文搞懂PF、PFC、PPFC、APFC

理解交流供電的特殊性

理解供電廠(chǎng)與用電設備模型

●供電廠(chǎng)提供的為交流電，也就是說(shuō)，供電廠(chǎng)提供的能量是呈現出正弦形式的波動(dòng)的，而不是一直持續不變的功率。

●電廠(chǎng)到用電設備之間的傳輸線(xiàn)是有電阻的，這些電阻會(huì )消耗能量。

●用電設備有電阻性的，也有電容和電感性的。

各種負載類(lèi)型的設備的等效電路

各種負載的情況

●下圖示出了4種類(lèi)型負載的消耗能量的情況

詳細分析各種負載的情況（電阻V.S. 感容）

●由前面的圖可以看到，消耗的功率=U*I，電阻消耗的總是正功，而電容和電感卻不是，一會(huì )正功，一會(huì )負功，也就是說(shuō)，電感和電容一會(huì )從供電廠(chǎng)吸取能量，一會(huì )向供電廠(chǎng)提供能量。

★這個(gè)現象的原因是，電感和電容屬于儲能設備，本身不消耗能量。

●在這個(gè)儲能放能的過(guò)程中，能量都被消耗在了供電線(xiàn)上了，用電設備由于沒(méi)有消耗能量，供電廠(chǎng)不能收取電費，但供電廠(chǎng)依然需要架設對應的供電設備，并且不停的提供能量。

詳細分析各種負載的情況（二極管的情況）

●二極管形成的整流電路，加上電容，用來(lái)產(chǎn)生直流輸出，這是一種很常見(jiàn)的結構，只有在A(yíng)C電壓比電容電壓高時(shí)，二極管才能導通，此時(shí)才有電流，為了提供整個(gè)周期的功率，在此范圍內必須有很大的電流，也就是說(shuō)，AC源必須在短短的時(shí)間內提供夠用很長(cháng)一端時(shí)間的能量給設備。

★由于供電廠(chǎng)只能產(chǎn)生正弦形式的功率輸出，為了達到這個(gè)目的，供電廠(chǎng)必須建設遠超出正常消耗的供電設備，以維持用電設備的用電。

理解PF和THD

●為了描述這種電容電感導致的，電流和電壓不同步的情況，引入功率因數的定義。

●用電流和電壓的相位角之差的余弦值作為功率因數。

★PF大還是小比較好？

總諧波失真（THD）

●非正弦的周期波形能夠拆分成傅里葉級數，這樣就得到了該周期波形的基波和各次諧波。

●用總諧波失真來(lái)表示各次諧波的大小，在供電領(lǐng)域，諧波的大小特指流的大小。

★THD大還是小比較好。

諧波失真的危害

●供電廠(chǎng)產(chǎn)生的電流波形是基波的正弦，而其他高次諧波的波形是供電廠(chǎng)無(wú)法產(chǎn)生的，因此供電廠(chǎng)必須使出額外的力氣來(lái)產(chǎn)生所有的高次諧波，因此THD實(shí)際上描述了供電廠(chǎng)必須具備的額外供電能力，或者說(shuō)做的無(wú)效功。

●諧波失真的其他危害還表現在產(chǎn)生了一些高頻的信號，這些信號會(huì )干擾其他設備，這個(gè)干擾可以通過(guò)線(xiàn)路傳導，也可以通過(guò)輻射傳播，線(xiàn)路傳導稱(chēng)為RFI，輻射傳播稱(chēng)為EMI。

總諧波失真的具體計算

●諧波失真描述的是一堆正弦信號，或者說(shuō)交流信號，交流信號講究的是有效值，因此必須使用方和根來(lái)計算，其公式如下：

★第一步，求出每一個(gè)高次諧波和基波的比值；

★第二步，比值求和，理論上H可以取到無(wú)窮大，但實(shí)際應用中，H不會(huì )取很大，一般幾十就足夠精確了；

★第三步，開(kāi)方。

諧波失真的圖形表示

●總諧波失真代表了供電能力的浪費，而高次諧波的幅度則代表了電磁干擾的強度，因此通常還會(huì )使用圖標來(lái)表示諧波失真，這樣可以比較形象的看出諧波失真的電磁干擾危害程度。

偶次諧波和奇次諧波

●仔細觀(guān)察可以發(fā)現，電流諧波失真圖上，偶次諧波的分量幾乎為0。

●這個(gè)不是偶然，在電力領(lǐng)域，談到諧波失真，都不需要考慮偶次諧波，只考慮奇次諧波，因為偶次諧波分量可以忽略。

●偶次諧波分量為0的原因在于電流波形總是呈現正負對稱(chēng)的形式，這種對稱(chēng)波形稱(chēng)為奇諧波形，其偶次分量為0，其分析如下：

考慮THD后的PF

●真實(shí)應用中，設備往往同時(shí)包含電容/電感和有源器件，因此電流波形既表現出和電壓正弦的相位差，又表現出非正弦特性，如下圖，此時(shí)，功率因素的定義為：

小結

●現在可以看到，對用電設備的友好性可以用PF來(lái)衡量，很多時(shí)候PF和THD是存在關(guān)系的，THD越大，PF越低，但THD小不意味著(zhù)PF高，還要考慮電流相位的影響。

●THD既要小，同時(shí)還要在高頻處的諧波分量盡量的小，以減少干擾。

PPFC原理及實(shí)現思路

●PF低的原因有2個(gè)，電容或電感引起的電流相位偏移，有源器件引起的波形失真。

●提高PF的電路稱(chēng)為PFC電路，PFC的思路也是分為2個(gè)：

★增加補償電路，比如負載為電容，就在供電線(xiàn)路上加入電感，這種方法稱(chēng)為無(wú)源PFC，常用于只有相位偏移的場(chǎng)合；

★對于開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，主要的問(wèn)題是波形失真，因此不能采用無(wú)源PFC，只能采用其他方法，這些方法統稱(chēng)為有源PFC。

--有源PFC也分2種，一種是PPFC(被動(dòng)式PFC)，另一種是APFC(主動(dòng)式PFC)。

--有時(shí)候，將無(wú)源PFC也歸為被動(dòng)式，這樣PFC分P和A兩類(lèi)，P又包括無(wú)源和有源兩種。

PPFC電路

●使用一種稱(chēng)為逐流電路的結構可以提高開(kāi)關(guān)電源的PF值。

★注意逐流電路的連接，當VDC比2個(gè)電容電壓加起來(lái)還高時(shí)，逐流電路充電，當VDC比2個(gè)電容電壓并聯(lián)的電壓低時(shí)，逐流電路放電，當VDC介于兩者之間時(shí)，逐流電路既不放電也不充電。

★兩個(gè)電容完全相同，因此電容的電壓總是會(huì )自動(dòng)保持相等。

逐流電路提高PF值的方法

●假如沒(méi)有逐流電路，當VAC<VDC時(shí)，二極管就會(huì )截止，只有VAC>VDC時(shí)，二極管才導通，加上逐流電路后，當VAC小于兩個(gè)電容電壓之和時(shí)，二極管依然導通，直到VAC小于電容電壓，這無(wú)形中延長(cháng)了二極管導通的時(shí)間。

★假設VAC為220V，VDC穩定在200V，那么無(wú)逐流電路時(shí)，只有VAC>200V，二極管才導通，有逐流電路時(shí)，VAC>100V，二極管就導通。

逐流電路的疊加

●從前面的分析可以看到，逐流電路是通過(guò)二極管環(huán)向，使得電容是串聯(lián)充電，并聯(lián)放電，串聯(lián)時(shí)數量為2，因此充放電區間的電壓落差為2倍。

●如果希望提高逐流電路的PFC效果，可以將電壓落差加大，增加到3，甚至4。

APFC原理及實(shí)現思路

APFC的原理

●開(kāi)關(guān)電源的波形失真的罪魁禍首是整流橋后面的電容，使用逐流電路后可以緩解這個(gè)問(wèn)題，但不能根除，而主動(dòng)式PFC能夠根除這個(gè)問(wèn)題。

●主動(dòng)式PFC的方法是直接將整流橋后面的電容直接去掉，讓輸入電流持續。

★光讓電流持續還不夠，還必須讓整流橋后面的部分看起來(lái)像一個(gè)電阻，使得電流是隨著(zhù)輸入電壓的變化而變化的。

★因為開(kāi)關(guān)電源在整流橋后面是一個(gè)電感負載，電感的電流電壓關(guān)系為：

★所以開(kāi)關(guān)電源需要控制t，來(lái)使得?vdt和V成正比。

APFC的形式

●開(kāi)關(guān)電源是通過(guò)開(kāi)關(guān)切換來(lái)間歇式的將能量傳遞過(guò)去，因此不可能使瞬時(shí)電流呈現出一個(gè)連續平滑的正弦波形，只能使平均電流波形呈現出正弦波形。

★一共有3種形式的電流波形，對應3種模式CCM，BCM(CRM)，DCM。

電流平滑

●開(kāi)關(guān)電源只能制造鋸齒形的電流，而PFC要求較平滑的電流，否則電流THD會(huì )很大，因此，需要在輸入端加一個(gè)電流低通濾波電路。

★電流濾波使用電感和電容，電感對電流進(jìn)行平滑，而電容儲存能量，應付PFC過(guò)程中的電流突變。

3種模式的對比

●這三種模式，其本質(zhì)上的區分是流過(guò)電感的電流。

★CCM，電感電流是連續的；

★BCM，電感電流不連續，但不會(huì )持續為0；

★DCM，電感電流有持續為0的時(shí)候。

●從電源功率來(lái)說(shuō)：CCM > BCM > DCM。

★理論上來(lái)說(shuō)，高功率的也可以用于低功率，但CCM的控制環(huán)路存在巨大缺陷，無(wú)法做到高切換頻率，因此在小功率段通常是不使用CCM的。

BCM的實(shí)現方法

●要讓BCM的平均電流為正弦，需要兩個(gè)條件：

★流過(guò)電感的電流的峰值包絡(luò )為正弦；

★輸入平均電流和電感峰值成比例。

●對于第二個(gè)條件，除了boost外，其他拓撲都做不到，如下圖所示：

★Boost拓撲在整個(gè)周期內都有輸入電流，平均電流正好是包絡(luò )電流的1/2，而對于其他拓撲，只有在TON時(shí)間內，輸入電流才有，Toff時(shí)間內輸入電流為0，這樣就導致平均電流和峰值電流并不是一個(gè)固定的比例關(guān)系。

Boost實(shí)現BCM的方法

●電路需要得到2個(gè)時(shí)間點(diǎn)，當前周期的TON結束和當前周期的TOFF結束的時(shí)刻。

★當前周期的TON結束由電流峰值比較器來(lái)檢測，而TOFF的結束由過(guò)零比較器來(lái)檢測。

導通時(shí)間的問(wèn)題

●仔細觀(guān)察BCM，可以看到導通時(shí)間貌似是恒定的，這個(gè)不是故意畫(huà)得一樣，而是有原因的

●電感上的電流可以用如下公式來(lái)表示：

●這個(gè)公式可以看到，電感上的電流直線(xiàn)上升，上升斜率取決于輸入電壓，而上升的終點(diǎn)同樣取決于輸入電壓，這樣就導致導通時(shí)間最終和輸入電壓無(wú)關(guān)了。

PFC方法的改進(jìn)-固定導通時(shí)間

●又前面的分析可知，Boost實(shí)現PFC后，導通時(shí)間變成恒定了，那么反過(guò)來(lái)，一上來(lái)就將導通時(shí)間設成恒定，是不是也能實(shí)現PFC，答案是肯定的。

★改進(jìn)后，就成了主動(dòng)固定導通時(shí)間，因而省掉了峰值電流比較電路。

★固定導通時(shí)間是目前非常主流的PFC技術(shù)，適合用數字控制，計數器產(chǎn)生固定寬度的正脈沖，每次過(guò)零比較器檢測到退磁點(diǎn)，便產(chǎn)生一個(gè)正脈沖。

PFC電源調整輸出電壓的方法

●很多電源都有穩壓的需求，所謂穩壓實(shí)際上就是調整電源傳遞的能量，對于固定導通時(shí)間來(lái)說(shuō)，調整峰值電流的包絡(luò )線(xiàn)就可以調整平均電流，也就調整了輸入功率，進(jìn)而調整了輸出電壓。

★因為輸入電壓為AC，總是不變的，因此電感上電流斜率是不變的，縮放包絡(luò )線(xiàn)后，相當于改變了峰值電流比較器的閾值，電感上的電流三角波會(huì )變化，包絡(luò )線(xiàn)越矮，平均電流越小，輸出功率越低，TON時(shí)間越短，開(kāi)關(guān)的切換頻率越高。

輸出穩壓的方法

●由前面的分析可知，要調整輸出電壓，只需要調整TON即可，因此將輸出電壓反饋回來(lái)，調整TON即可。

BCM的問(wèn)題和解決

●BCM的特點(diǎn)是輸出功率越低，切換頻率越高，如果電源本身需要在較大的輸出功率內切換，比如調光，需要在1%-100%之內切換，開(kāi)關(guān)管的切換頻率也需要接近100倍的變化范圍。

★這么大的變化范圍是無(wú)法實(shí)現的，無(wú)論是MOS還是電感，都不可能在這么大的切換頻率內始終保持最優(yōu)工作狀態(tài)。

●解決方法是在每個(gè)周期插入死區等待時(shí)間，使BCM變成DCM模式。

加入死區等待的DCM

●如果需要降低輸入電流，可以不調整TON ，但是在每個(gè)切換周期后面增加等待時(shí)間，輸入電流降低越多，等待時(shí)間越長(cháng)，在TON不變的情況下，輸入電流越低，頻率越低。

★如果調整范圍不大的話(huà)，加入死區等待就足夠了，如果調整范圍大的話(huà)，可以結合死區等待和包絡(luò )線(xiàn)調整，或者以一個(gè)為主，另一個(gè)為輔，比如以包絡(luò )線(xiàn)為主，死區等待為輔，或者使用兩個(gè)技術(shù)實(shí)現更精細的調整。

--數字控制的方式，TON的最小調整粒度為1個(gè)TCLK ，而引入死區等待（補償）后，最下調整粒度可以高于一個(gè)TCLK。

結合死區等待后的穩壓算法

●同時(shí)使用調節TON和TDEAD后，控制算法會(huì )變得復雜，一種算法思路如下：

★以TON為主來(lái)調節輸出功率，通過(guò)TON調節包絡(luò )線(xiàn)的高度，TDEAD存在完全是為了調節頻率，這樣就得到了2種方法：

--先調TON ， TON調不動(dòng)了后再調TDEAD ，或者先調TDEAD，再調TON；

--先調TON ， TON調不動(dòng)了后再調TDEAD ，或者先調TDEAD，再調TON；

對比幾種算法

●從開(kāi)發(fā)難度來(lái)說(shuō)，一次調一個(gè)參數肯定比一次調多個(gè)參數要簡(jiǎn)單，但一次調多個(gè)參數可以實(shí)現更豐富的算法，比如對參數進(jìn)加權，就可以實(shí)現不同的曲線(xiàn)效果，甚至可以做到自始至終切換頻率不變。

★注意到兩個(gè)參數的曲線(xiàn)總是不同趨勢的， TON增加，切換頻率降低，而TDEAD 減少，切換頻率升高，因此理論上可以做到切換頻率不變。

死區時(shí)間的多周期均衡關(guān)系

●在BCM情況下，平均電流天然就是正弦，而引入死區等待后，變成DCM，平均電流不再能天然正弦，這個(gè)時(shí)候需要使用數字算法來(lái)均衡每個(gè)周期的TDEAD，使平均電流依然既能保持正弦形狀。

★所謂均衡，就是指插入到各個(gè)周期內的TDEAD保持一定的關(guān)系。

●均衡算法的開(kāi)發(fā)思路如下：

擴展到其他拓撲

●前面分析過(guò)，Boost相比其他拓撲的優(yōu)勢在于 TON和 TON都有輸入電流，但引入死區時(shí)間后，TDEAD還是沒(méi)有電流，此時(shí)Boost相比其他拓撲的優(yōu)勢實(shí)際上沒(méi)有了，因此可以使用任何拓撲來(lái)實(shí)現PFC。

●假設依然使用固定導通時(shí)間，其他拓撲的TDEAD均衡算法開(kāi)發(fā)思路如下：

PFC和恒流的沖突

●前面都是通過(guò)調節輸出電壓來(lái)調整輸出功率，但很多應用中是通過(guò)調節輸出電流來(lái)調整輸出功率的，這就給PFC帶來(lái)了很大的一個(gè)難題。

★穩壓和穩流最大的不同，在于穩壓只需要保證很長(cháng)一段時(shí)間內平均輸出電壓恒定即可，而目前的穩流技術(shù)則需要使得每個(gè)切換周期的電流都保持恒定。

--為什么電壓可以看一段時(shí)間平均電壓，因為負載端都帶有大電容，這個(gè)電容上的電壓就是一段時(shí)間內的平均電壓，將這個(gè)電壓采樣反饋到輸入，就可以調節平均電壓。

--而電流則不行，目前沒(méi)有方法能讓每個(gè)周期電流都變化，而平均電流在一段時(shí)間內保持恒定，因為沒(méi)有辦法來(lái)采樣一段時(shí)間內的平均電流。

●PFC要求電流為正弦狀，也就是每個(gè)周期都不一樣，而恒流要求電流每個(gè)周期都一樣，這樣就形成了一對不可調和的矛盾。

解決PFC和恒流的沖突

●目前沒(méi)有看到有很好的方法能夠簡(jiǎn)單的同時(shí)提高PF和恒流精度，已知的幾種方法如下：

★采樣2級方案，第一級為Boost，實(shí)現高PF，第二級實(shí)現恒流，這樣就避開(kāi)了兩者的沖突，但缺點(diǎn)是成本高；

★采用切分周期的方法，將一個(gè)AC周期分成多個(gè)時(shí)間段，一些時(shí)間做PFC，另一些時(shí)間做恒流，如下圖所示，這樣可以單級實(shí)現，但效果相比2級就要差一些了。

●對于大功率，成本不敏感的場(chǎng)合來(lái)說(shuō)，使用2級方案是很合適的，但對于成本敏感的場(chǎng)合，就需要下很大的功夫來(lái)進(jìn)行優(yōu)化了。