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4個步驟讓你明白PFC電源原理分析技巧

發布時間：2020-04-10 責任編輯：lina

【導讀】zhuiqiugaopinzhidedianligongxu，yizhishiquanqiugeguosuoxiangyaodadaodemubiao。raner，daliangdexingjiandianchang，bingfeijiejuewentideweiyitujing。yifangmiantigaodianligonggeidenengliang，yifangmiantigaodianqichanpindegonglvyinshu（Power factor）或效率，才能有效解決問題。

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有很多電氣產品，因其內部阻抗的特性，使得其功率因數非常低，為提高電氣產品的功率因數，必須在電源輸入端加裝功率因數修正電路（Power factor correction circuit）。但(dan)是(shi)加(jia)裝(zhuang)電(dian)路(lu)勢(shi)必(bi)增(zeng)加(jia)製(zhi)造(zao)成(cheng)本(ben)，這(zhe)些(xie)費(fei)用(yong)到(dao)最(zui)後(hou)一(yi)定(ding)會(hui)轉(zhuan)嫁(jia)給(gei)消(xiao)費(fei)者(zhe)，因(yin)此(ci)廠(chang)商(shang)在(zai)節(jie)省(sheng)成(cheng)本(ben)的(de)考(kao)量(liang)之(zhi)下(xia)，通(tong)常(chang)會(hui)以(yi)低(di)價(jia)為(wei)重(zhong)而(er)不(bu)願(yuan)意(yi)讓(rang)客(ke)戶(hu)多(duo)花(hua)這(zhe)些(xie)環(huan)保(bao)金(jin)。

大(da)多(duo)數(shu)的(de)消(xiao)費(fei)者(zhe)，也(ye)因(yin)為(wei)不(bu)了(le)解(jie)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)修(xiu)正(zheng)電(dian)路(lu)的(de)重(zhong)要(yao)性(xing)，隻(zhi)以(yi)為(wei)興(xing)建(jian)電(dian)廠(chang)才(cai)是(shi)解(jie)決(jue)電(dian)力(li)不(bu)足(zu)問(wen)題(ti)的(de)唯(wei)一(yi)方(fang)案(an)，這(zhe)是(shi)大(da)多(duo)數(shu)發(fa)展(zhan)中(zhong)國(guo)家(jia)電(dian)力(li)供(gong)應(ying)的(de)一(yi)大(da)問(wen)題(ti)所(suo)在(zai)。

功率因數的意義

電力公司經由輸配電係統送至用戶端的電力（市電）是電壓 100-110V/60Hz 或 200-240V/50Hz 的交流電，而電氣產品的負載阻抗有三種狀況：包括電阻性、電容性、hedianganxingdeng。qizhongzhiyoudianzuxingfuzaihuixiaohaogonglverchanshengguanghuoredengnengyuanzhuanhuan，errongxinghuoganxingfuzaizhihuichucunnengliang，bingbuhuizaochengnengliangdexiaohao。zaichunzuxingfuzaizhuangkuangxia，qidianyahedianliushitongxiangweide，erzaidianrongxingfuzaixia，dianliudexiangweishichaoqiandianyade，zaidianganxingfuzaixiadianyayoushichaoqiandianliuxiangweide。

這超前或滯後的相位角度直接影響了負載對能量的消耗和儲存狀況，因此定義了實功功率的計算公式：

Ｐ＝ＶＩＣｏｓθ

θ為 V 和 I 和夾角，Cosθ的值介於 0-1 之間，此值直接影響了電流對負載作實功的狀況，稱之為功率因數（Power Factor，簡稱 PF）。

為了滿足消費者的需要，電力公司必須提供 S=VI 的功率，而消費者實際上隻使用了 P 的功率值，有一部分能量做了虛功，消耗在無功功率上。PF 值越大，則消耗的無功功率越小，電力公司需要提供的 S 值也越小，將可以少建很多電廠。

功率因數修正器的結構

功gong率lv因yin數shu修xiu正zheng器qi的de主zhu要yao作zuo用yong是shi讓rang電dian壓ya與yu電dian流liu的de相xiang位wei相xiang同tong且qie使shi負fu載zai近jin似si於yu電dian阻zu性xing，因yin此ci在zai電dian路lu設she計ji上shang有you很hen多duo種zhong方fang法fa。其qi中zhong依yi使shi用yong元yuan件jian來lai分fen類lei，可ke分fen為wei被bei動dong式shi和he主zhu動dong式shi功gong因yin修xiu正zheng器qi兩liang種zhong。被bei動dong式shi功gong因yin修xiu正zheng器qi在zai最zui好hao狀zhuang況kuang下xia PF 值也隻能達到 70%，在嚴格的功因要求規範下並不適用。若要在全電壓範圍內（90V~265Vac）且輕重載情況下都能達到 80%以上 PF 值，則主動式功因修正器是必要的選擇。主動式功因修正器多為升壓式電路結構（Boost Topology）。

如圖一所示，圖二為電感作用波形，輸入電壓要求為 90V~265Vac，在 Vd 點則為 127V~375V 直流電壓，由升壓電路把輸出電壓 Vo 升到 400V 的直流，其工作過程如下：

1、當 Q 導通時，電感上的電壓 VL=Vd,此時 Vd、L、Q 形成回路，Vd 對電感 L 充電，回路如圖一中虛線所示，此時電感電流ζL 循著同一斜率上升，到 Q 截止為止，工作周期（DT）結束。

2、當 Q 截止時，電感電壓反相且加上 Vd 經由二極管 D 對輸出端開始放電，此時電容 C 是成充電狀態，且RL 維持 Vo 輸出，其中 Vo 之大小為輸入電壓 Vd 加上電感電壓（-VL）的值（由於電感電壓反相，-VL 反而是正值），其回路如圖一中灰線所示，直到 Q 再度導通為止（即（1-D）T 時間段結束）。

如想要圖一中的升壓型電路具有功率因數修正功能的話，則 Q 的控製信號必須來自具有功因修正功能的 IC（PFC IC），並要取電壓回路和電流回路來做反饋控製，把這些信號回傳到 PFC IC 來控製 Q 的導通與截止，進而達到電流波形整形的目的。

PFC IC 分為兩種，一種是非連續電流模式功因修正器（DCM PFC），適用於較低功率需求的功因修正。歐洲的能源規範定為 70W 以上的電源供應器必須加裝 PFC 電路，DCM PFC 一般使用在 200W 以下。另外一種是連續電流模式功因修正器（CCM PFC），一般使用在 200W 以上到數千 W。

圖三峰值電流控製模式的 DCM PFC

DCM PFC 的控製方式

無論 CCM 或 DCM 的 PFC，其電路結構都是升壓電路，其中最大的區別在於控製模式，DCM PFC 一般使用峰對峰值電流控製模式（如圖三所示）。此種模式主要是當 AC 輸入後，經橋式整流而成的類似 m 形的電壓波形，經 R5、R6 分壓後，再和一個經由誤差放大器（Error Amplifer）放大後的輸出信號 Vc 相乘。此舉是為了給流經 Rs 的峰值電流一個參考比較的電壓 Vm，並且這個電壓會隨著輸入和輸出的電壓大小而作調整，其中輸出電壓經由電阻 R3 和 R4 分壓後，經由誤差放大器負反饋至乘法器輸入端，可使當負載改變時，輸出電壓仍能保持穩定。

其中較需注意的是，誤差放大器在作閉環回路補償時，其增益頻寬要比六分之一倍的市電頻率還要低，以避免幹擾PFC 電路的主要功能，所以 C1 和 C2 的值通常都不小，約為 uF 級的電容。當乘法器輸出 Vm 時，同一時刻的電壓波形仍是一個類似 m 形的波形，隻是它是已被整理過的參考電壓波形，進而輸入比較器的正輸入端，而與比較器的負輸入端 Q 的 S 極電流的波形（即壓降在 Rs 上的電壓波形 Vs）作比較，來控製 Q 的開與關，其波形如圖四。

圖四 DCM PFC 各點的動作波形

起初，當 Q 導通時，輸入的直流高壓 Vd 對電感 L 充電，使電感的電流ζL 上升（如圖四中電感電流波形的 a 到b 點），此時 Rs 上的電壓 Vs 也上升，直到 Vs=Vm 時（即 b 點），由於此時比較器（Current Comp）的反相輸入端電壓高於正相輸入端，故 RS 觸發器（RS Flip-Flop）的 R 輸入端為低電位，而此時 S 端為高電位，使觸發器輸出為高電位，使 Qd 導通，而 Vg 為低電位，Q 為截止的狀態，電感上電壓 VL 反相，加上輸入電壓 Vd 使二極管 D 導通，開始對輸出 RL 和 C5 放電（圖中的 b 到c 點），此時負載 RL 仍保持在高電位，而電容 C5 則承受電感放電而呈充電狀態，直到電感放電到ζL 值為 0（c 點）為止。

當電感電流ζL 為 0 時，RS 觸發器的S 端輸入低電平，而 R 端為高電位（因為 Vm>Vs），此時觸發器的Q 輸出為低電位，使 Qd 截止，Q 的 VGS 為高電位，於是 Q 導通，電感的電壓 VL 為正向，輸入電壓 Vd 供應電流流過電感 L 和Q，對電感 L 充電，故流經電感 L 的電流又繼續上升，直到三角波電壓 Vs 又碰到 m 形波Vm 為止（c 到 d 段），如此反複，電路以此種峰值電流控製模式的方法來得到ζL 電流波形。

ζL 的波形是由許多大小三角波所組成，它畢竟不是正弦波，故電路中必須加裝一個 C3 電容來濾除電感電流中的高頻成分，而使輸入弦波電流ζ為完整的基本弦波成分，其大小為電感電流ζL 的平均值。基本上的ζL 峰值大概為電流ζ峰值的 2 倍，這可作為選擇 Q 的耐電流量參考。

CCM PFC 的控製方式

對於 CCM 的PFC 而言，常用的控製模式是所謂的平均電流控製模式，其控製模式電路如圖五所示。

圖五平均電流控製模式的升壓型電路

圖中的 Vin 為直流電壓而 Ip 為直流電流。其各點的電壓及電流波形如圖六所示。

圖六平均電流控製模式升壓型電路之各點波形

其中 Q 的柵極受控於 PWM 比較器的 Vs 電壓和Vc 電壓的比較結果：當 Vs 大於 Vc 時，比較器輸出為低電位，而 Vs 小於 Vc 時，比較器輸出為高電位。因此電路剛開始運作時，Vs 小於 Vc，此時比較器輸出高電位，Q 導通。如圖五中 Vin 循著虛線路徑向電感 L 充電，故電感電流ζL 上升（a 到 b 段），到 b 點時，由於 Vs 大於 Vc 時，比較器輸出由高電位變成低電位，Q 截止，Vin 電壓加於電感 L 的反向電壓經二極管 D 向電容 C 充電，並供應電壓給負載（如圖中灰色路線），此時電感 L 為放電狀態，故電感電流ζL 下降（b 到 c 段），到 c 點時，Vs小於 Vc，此時比較器又輸出高電位，使 Q 再度導通。如此周而複始，以電流放大器的電流波形和鋸齒波相互比較而產生 Q 的驅動波形，達到以平均電流來控製負載電壓的目的。

注意圖六中的波形，在 ab 段或cd 段等單數時間段時，Vc 電壓的波形在要和 Vs 交錯前必定是負斜率，此時 Vs 為正斜率，並且必定要交錯，否則無法控製，而在 bc 段或 de 段等偶數段時，Vc 和 Vs 都是正斜率，可是 Vc 的斜率必定要比 Vs 小(xiao)，否(fou)則(ze)無(wu)法(fa)交(jiao)錯(cuo)，也(ye)無(wu)法(fa)控(kong)製(zhi)，因(yin)此(ci)在(zai)設(she)計(ji)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)時(shi)，必(bi)需(xu)要(yao)注(zhu)意(yi)到(dao)這(zhe)些(xie)控(kong)製(zhi)的(de)重(zhong)點(dian)來(lai)安(an)排(pai)周(zhou)邊(bian)元(yuan)件(jian)參(can)數(shu)，否(fou)則(ze)不(bu)是(shi)電(dian)路(lu)無(wu)法(fa)動(dong)作(zuo)，就(jiu)是(shi)電(dian)路(lu)失(shi)控(kong)而(er)損(sun)壞(huai)。

（來源：維庫電子市場網）

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