??PFC電路二極管應(yīng)用技術(shù)與選型
作者：海飛樂(lè)技術(shù) 時(shí)間：2017-03-15 15:03
PFC被稱(chēng)為“功率因數(shù)校正”，它是有效功率除以總耗電量(視在功率)的比值。PFC是現(xiàn)代開(kāi)關(guān)電源的一種必備設(shè)計(jì)，它在液晶電視或者等離子電視上也是不可缺少的一個(gè)設(shè)計(jì)，可以說(shuō)應(yīng)用是越來(lái)越廣泛的。PFC有兩種，一種是無(wú)源PFC（也稱(chēng)被動(dòng)式PFC），一種是有源PFC（也稱(chēng)主動(dòng)式PFC）。無(wú)源PFC一般采用電感補(bǔ)償方法使交流輸入的基波電流與電壓之間相位差減小來(lái)提高功率因數(shù)，但無(wú)源PFC的功率因數(shù)不是很高，只能達(dá)到0.7~0.8；有源PFC由電感電容及電子元器件組成，體積小，可以達(dá)到很高的功率因數(shù)，但成本要高出無(wú)源PFC一些。
無(wú)源PFC電路結(jié)構(gòu)與原理
圖1 無(wú)源PFC電路結(jié)構(gòu)
不使用晶體管等有源器件組成的校正電路。一般由二極管、電阻、電容和電感等無(wú)源器件組成，向目前國(guó)內(nèi)的電視機(jī)生產(chǎn)廠對(duì)過(guò)去設(shè)計(jì)的功率較大的電視機(jī)，在整流橋堆和濾波電容之間加一只電感(適當(dāng)選取電感量)，利用電感上電流不能突變的特性來(lái)平滑電容充電強(qiáng)脈沖的波動(dòng)，改善供電線路電流波形的畸變，并且在電感上電壓超前電流的特性也補(bǔ)償濾波電容電流超前電壓的特性，使功率因數(shù)、電磁兼容和電磁干擾得以改善。
此電路雖然簡(jiǎn)單，可以在前期設(shè)計(jì)的無(wú)PFC功能的設(shè)備上，簡(jiǎn)單的增加一個(gè)合適的電感(適當(dāng)?shù)倪x取L和C的值)，從而達(dá)到具有PFC的作用，但是這種簡(jiǎn)單的、低成本的無(wú)源PFC輸出紋波較大，濾波電容兩端的直流電壓也較低，電流畸變的校正及功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)哪芰Χ己懿睿襆的繞制及鐵芯的質(zhì)量控制不好，會(huì)對(duì)圖像及伴音產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾，只能是對(duì)于前期無(wú)PFC設(shè)備使之能進(jìn)入市場(chǎng)的臨時(shí)措施。
有源PFC電路的結(jié)構(gòu)與原理
圖2 有源PFC電路結(jié)構(gòu)圖
有源PFC則是有很好的效果，基本上可以完全的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，它可以基本上完全解決了功率因數(shù)、電磁兼容、電磁干擾的問(wèn)題，但是電路非常的復(fù)雜，其基本思路是在220V整流橋堆后去掉濾波電容(以消除因電容的充電造成的電流波形畸變及相位的變化)，去掉濾波電容后由一個(gè)“斬波”電路把脈動(dòng)的直流變成高頻(約100K)交流再經(jīng)過(guò)整流濾波后，其直流電壓再向常規(guī)的PWM開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源供電，其過(guò)程是; AC→DC→AC→DC。
有源PFC的基本原理是在開(kāi)關(guān)電源的整流電路和濾波電容之間增加一個(gè)DC-DC的斬波電路圖8(附加開(kāi)關(guān)電源)，對(duì)于供電線路來(lái)說(shuō)該整流電路輸出沒(méi)有直接接濾波電容，所以其對(duì)于供電線路來(lái)說(shuō)呈現(xiàn)的是純阻性的負(fù)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(我們以后稱(chēng)它為：“PFC開(kāi)關(guān)電源”)和穩(wěn)壓開(kāi)關(guān)電源(我們以后稱(chēng)它為：“PWM開(kāi)關(guān)電源”)組成的。
PFC電路應(yīng)用技術(shù)
整流二極管整流以后不加濾波電容器，把未經(jīng)濾波的脈動(dòng)正半周電壓作為斬波器的供電源，由于斬波器的一連串的做“開(kāi)關(guān)”工作脈動(dòng)的正電壓被“斬”成圖9的電流波形，其波形的特點(diǎn)是：1、電流波形是斷續(xù)的，其包絡(luò)線和電壓波形相同，并且包絡(luò)線和電壓波形相位同相。2、由于斬波的作用，半波脈動(dòng)的直流電變成高頻(由斬波頻率決定，約100KHz)“交流”電，該高頻“交流”電要再次經(jīng)過(guò)整流才能被后級(jí)PWM開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源使用。3、從外供電總的看該用電系統(tǒng)做到了交流電壓和交流電流同相并且電壓波形和電流波形均符合正弦波形，既解決了功率因素補(bǔ)償問(wèn)題，也解決電磁兼容(EMC)和電磁干擾(EMI)問(wèn)題。
該高頻“交流”電在經(jīng)過(guò)整流二極管整流并經(jīng)過(guò)濾波變成直流電壓(電源)向后級(jí)的PWM開(kāi)關(guān)電源供電。該直流電壓在某些資料上把它稱(chēng)為：B+PFC(TPW-4211即是如此)，在斬波器輸出的B+PFC電壓一般高于原220交流整流濾波后的+300V，其原因是選用高電壓，其電感的線徑小、線路壓降小、濾波電容容量小，且濾波效果好，對(duì)后級(jí)PWM開(kāi)關(guān)管要求低等等諸多好處。
1、 連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)：開(kāi)關(guān)管的工作頻率一定，而導(dǎo)通的占空比(系數(shù))隨被斬波電壓的幅度變化而變化,如圖3，
圖中T1 和 T2 的位置是：T1在被斬波電壓(半個(gè)周期)的低電壓區(qū)，T2在被斬波電壓高電壓區(qū)，T1(時(shí)間)=T2(時(shí)間)從圖中可以看到所有的開(kāi)關(guān)周期時(shí)間都相等，這說(shuō)明在被斬波電壓的任何幅度時(shí)，斬波管的工作頻率不變，從圖10中可以看出;在高電壓區(qū)和低電壓區(qū)每個(gè)斬波周期內(nèi)的占空比不同(T1和T2的時(shí)間相同，而上升脈沖的寬度不同)，被斬波電壓為零時(shí)(無(wú)電壓)，斬波頻率仍然不變，所以稱(chēng)為連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)該種模式一般應(yīng)用在250W～2000W的設(shè)備上。
圖3 導(dǎo)通的占空比(系數(shù))隨被斬波電壓的幅度變化圖
2、 不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)：斬波開(kāi)關(guān)管的工作頻率隨被斬波電壓的大小變化(每一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)“開(kāi)”“關(guān)”時(shí)間相等。如圖11：T1和T2時(shí)間不同，也反映隨著電壓幅度的變化其斬波頻率也相應(yīng)變化。被斬波電壓為“零”開(kāi)關(guān)停止(振蕩停止)，所以稱(chēng)為不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)，即有輸入電壓斬波管工作，無(wú)輸入電壓斬波管不工作。他一般應(yīng)用在250W以下的小功率設(shè)備上，例如海信TLM-3277液晶電視接收機(jī)開(kāi)關(guān)電源的PFC部分即工作在DCM模式。
3、臨界導(dǎo)通模式(CRM)或過(guò)渡模式(TCM)：
工作介于CCM和DCM之間，工作更接近DCM模式。在上一個(gè)導(dǎo)通周期結(jié)束后，下一個(gè)導(dǎo)通周期之前，電感電流將衰減為零，而且頻率隨著線路電壓和負(fù)載的變化而變化。
優(yōu)點(diǎn)：廉價(jià)芯片、便于設(shè)計(jì)，沒(méi)有開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通損耗，升壓二極管的選擇并非決定性的;
缺點(diǎn)：由于頻率變化，存在潛在的EMI問(wèn)題，需要一個(gè)設(shè)計(jì)精確的輸入濾波器。
PFC電路中二極管選型
在功率因數(shù)校正（PFC）電路中二極管是關(guān)鍵元件，從PFC結(jié)構(gòu)圖和原理中我們可以看出，二極管在PFC電路中起到的作用有續(xù)流和整流兩方面的。
續(xù)流二極管
由于開(kāi)關(guān)管是在電感電流不為零的時(shí)候關(guān)斷的，需要承受更大的應(yīng)力，要求二極管有極低甚至為零的反向恢復(fù)電流， 在每一個(gè)開(kāi)關(guān)周期，二極管的恢復(fù)電流流經(jīng)MOS晶體管，這導(dǎo)致開(kāi)關(guān)中高的“開(kāi)關(guān)通導(dǎo)”功率損耗。對(duì)于這種PFC應(yīng)用，需要更快的二極管，而PFC電路電壓相對(duì)較高，不適合肖特基二極管，因此我們只能選擇快恢復(fù)二極管或者超快恢復(fù)二極管，這里需要根據(jù)實(shí)際的設(shè)計(jì)來(lái)選擇。
整流二極管
PFC電路后級(jí)PWM開(kāi)關(guān)管要求較低，可以根據(jù)需求使用普通整流二極管、快恢復(fù)二極管、肖特基等。
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