PFC变换器基础 - 21ic电子网

在如今的大多数AC电压输入电源应用场合，大多需要PFC电路，不管是OBC，还是便携式储能，还是传统的服务器电源，或是照明电路，PFC电路是不可或缺的一部分,本文对PFC电路的基础层面的东西做一些分析。

一.为什么需要PFC

通常在AC电压之后会带一个整流电路，整流后的电路进入DC/DC转换电路后，通过高频开关的动作，则从AC端输入看来，输入电流会变为高频脉冲式的电流，它们往往是不连续的波形。在电网中，拉出这样的电流，会导致网络的损耗，导致产生大量谐波，并且对外产生辐射等，功率较大时，这个影响会更大，如图1中中间的输入电流波形，所示。

图1 带PFC和不带PFC时的输入电流波形比较

电流谐波，一般是基波的整数倍的正弦波，可以看成是电网上连续的稳定的一些干扰，从上述分析中，我们也得知，它是由于电网负载的瞬态功率导致的畸变。

图2 导致电流谐波的源头

造成电流谐波的源有很多，诸如，各种开关电源或者其它电力设备，或者辅助设备，及电机等设备等，这里我们不一一详述，如图2可以参考。

电流谐波会产生哪些影响呢？由于它是高频的一些干扰，所以会导致敏感的控制系统错误的运行，或者导致断路器的异常动作，或者保险丝的烧毁等，有些时候也有会导致设备过热而异常运行。

所以，我们首先想到的一个问题，就是如何减小这个谐波的不良影响。最直接的办法，就是让从电源输入端拉出的电流，整形为和输入正弦电压类似的波形。

二.什么是PF

要理解PF值，需要首先理解一些基本概念，如有功功率，无功功率，视在功率等。

有功功率，表示电网实际消耗的功率，主要表现在变为光，热，或者动能的结果的部分，用W表示，在电表上表示为Wh。而无功功率，表示是不做功的部分，但是为了维持电磁场的部分的功率，它的单位是VA。相应的，总功率就是视在功率，它由有功功率，和无功功率组成。

无功功率产生主要是由于以下原因：

1. 电压和电流之间存在的相移，导致存在displacement，这部分称作位移因子。

2. 电流波形中存在畸变，即distortion，这部分称作畸变因子THD。

以上二者都会影响功率因数PF值,PF值的表达式如图3所示。

图3 PF值组成部分

功率因数PF值，表示有功功率在总的视在功率中的比例，是表征一个系统的节能指标，PF值越大越好。

图4 功率因数概念PF值

所以，经上述分析，PFC电路的目标，就是尽可能从电源中获取有功功率，减小位移因子和畸变因子，减小系统的无功成分，以便改善功率质量以及系统整体效率。

那么，改善了PF后，会带来什么好处呢？

由于提高了电源系统有功功率的比例，所以系统在传递功率过程中效率更高，同时也提高了电网的容量，可以更好的服务更大功率的负载。

经过改善PF值后的电源，在电网看来，从电源输入端看上去，就表现得像一个线性电阻特性一样，输入电流波形可以跟随正弦输入电压波形。

图5 改善PF后的输入电压和电流关系

三．如何实现PFC

虽然电路中具有电感，电容，开关等电抗性器件，但是毕竟PFC电路是在低频输入下工作，通过滤波机制也可以让它看起来像电阻一样的特性。

图6 电感等效为电流源

图7 电容等效为电压源

根据电感和电容的基本特性，我们可知在单个开关周期内电感电流不变，而电容电压不变，所以二者可以分别等效为电流源和电压源。

对于PFC来说，一般会让输出电压和输入电流同时得到控制，输入电流会被整形为和输入电压一样的，输出电压会被控制为直流电压。

根据电容和电感的基本特性，在低频信号下，其同样可以看成是阻性的，如果电感电流被控制，而跟随输入正弦电压，那么在一定的负载范围下，输入电压和输入电流都是成比例的。

所以，PFC电路，就是一个AC转DC的变换器，最终让输入正弦电压和输入电流保持同相位，并且将AC电压转换为DC电压。

对于有桥PFC来说，首先通过全桥整流，将交流AC电压转化为单向的电压，进而进入PFC电路，PFC电路通过电路斩波PWM控制,产生稳定的输出电压DC输出，且让输入电流跟随输入电压，基于这个目标，PFC电路需要采样三个电参数，输入交流电压，输出直流电压，输入电流进行控制算法设计。

图8 PFC电路的基本结构框图

图9 boost PFC电路

当PFC采用boost电路时，如图9所示结构，此电路结构中，控制开关的耐压取决于输出电压，输入电压和输出电压的关系是升压关系。

图10 boost PFC电路的波形

Boost电路的输入电流波形，当控制为CCM模式时，由于电感电流是一个连续的状态，AC输入电流就是输入电感电流，所以输入电流的轮廓线是跟随输入正弦电压的形式。

图11 buck PFC电路

当PFC电路以buck形式实现时，控制开关的耐压取决于输入电压，输入整流电压和输出电压是降压关系。

图12 buck PFC电路的波形

Buck电路的输入电流就是控制开关的电流，由于控制开关高频工作，因此电流波形为脉冲电流，如图12所示。

另外，一种基本变换器是buck-boost电路，此处我们不详细叙述，其输入电流波形和buck电路类似，都是脉冲电流。

所以，从输入电流的特性上来看，只有boost电路的PFC可以做到输入电流连续，尤其是处于CCM模式下，这样可以很好的减小电流谐波，因此传统的PFC电路都是以Boost电路形式存在。

当采用数字控制去控制boost PFC电路时，可以给设计带来很多好处，如控制算法灵活实现，可以灵活的改变软件适应客户需求，也容易集成其它功能，需要面临的首要问题，就是模拟采样信号的数字离散化，后续我们将逐步讨论PFC的数字化过程。

总结，简要分析PFC的必要性和PF相关的基本概念，及PFC基本拓扑的讨论，为后续进行PFC的数字化奠定基础。