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有源功率因数校正电路和无源功率因数校正电路介绍

2023-4-3 14:37:48

2991 变换器 PFC 二极管 boost电路

　　随着电力电子技术的持续发展和节能、环保、低碳诉求的不断加强，高效率、低能耗的的电路拓扑研究取得了长足进步。AC/DC变换器在日常生活和工业生产中应用极为普遍，但在电力变换过程中不可避免的会产生谐波，对电网造成污染。因此高效、高功率因数、低谐波的拓扑受到广泛关注。
　　为实现低谐波、高功率因数AC/DC变换，功率因数校正（Power Factor Correction， PFC）电路应运而生。根据是否采用有源器件可将拓扑分为有源功率因数校正电路和无源功率因数校正电路。
　　（1）无源功率因数校正电路
　　无源功率因数校正电路是在二极管整流电路中增加电感、电容等无源器件来抑制电路工作中的电流脉动，降低电流中的谐波含量。如下图所示。

　　无源PFC拓扑优点是高效、高可靠性、EMI简单，成本低。但同时需要的电感和电容体积大，功率因数校正效果有限（0.9左右），对输入电流谐波的抑制效果也不是很好。在很多场合中不满足谐波准入的限制要求。此外，由于二极管不控整流，PFC输出电压随输入电压和负载的变化而变化，严重影响变换器输出性能，因此无源功率因数校正电路适用于对供电质量要求较低，对体积和性能要求较低的小功率场合。
　　（2）有源功率因数校正电路

　　有源功率因数校正电路如上图所示，PFC部分主要由工作在高频开关状态的开关管和电路组成，一般为boost型拓扑，可实现宽输入电压范围。相比于无源功率因数校正，有源PFC输入的电流波形畸变小，THDi一般可实现小于5%，最低可达到1%~2%，功率因数大于0.99；可以通过控制器实现闭环设计，输出稳压精度高，动态响应快，输出电压可调节，供电质量高，应用范围广。但其功率电路和控制电路复杂，成本高。
　　PFC根据输入电压的相数不同有不同的拓扑，对于三相供电，常见的拓扑有Vienna拓扑和桥式拓扑。Vienna拓扑开关管数量相对较少，桥式拓扑可实现能量双向流动。但其基本工作原理和单相类似。常见的单相boost型PFC拓扑如下图所示：

　　由于其结构简单，开关管数量少，控制方法成熟，因此应用比较普遍。其工作原理为通过控制开关管S的高频开关，迫使输入电流波形跟随输入电压波形变化达到PFC的目的。在S开通时，电感L电流上升储存能量，S关断时，L通过二极管D向输出电容C释放能量。根据电感工作时电流的不同，其工作模式可分为连续电流模式（CCM）、临界电流模式（CRM）和断续电流模式（DCM）三种，如下图所示：

　　受限于开关频率和电感感量，CCM工作状态下在输入电压过零点附近会有一段电感电流处于DCM模式。
　　传统有桥PFC拓扑在同一时刻有三个功率器件处于导通状态，因此损耗较大。为提高PFC电路的工作效率，减小功率器件损耗，提出了无桥PFC拓扑，无桥PFC有多种不同拓扑，如下图所示：

　　无桥拓扑每一时刻只有两个功率器件导通，开关损耗低，但相对于有桥拓扑，其成本高，驱动电路设计、控制复杂。为进一步提升效率，可将拓扑中的二极管D1和D2换为开关管，两个开关管工作在低频开关状态，称为工频管，S1和S2则工作于高频状态。
　　对于功率等级的不同，拓扑中所使用的开关器件也不同。对于小功率场合，一般使用MOS管，其开关频率为几十kHz到几百kHz；对于中高功率场合，一般使用IGBT，其工作开关频率为几kHZ~几十kHz，受限于开关损耗和功率器件特性等，IGBT开关频率一般小于30kHz。

原作者：华为 HW嵌入式电源