功率因数校正 PFC电路工作原理

功率因数补偿：在20世纪50年代，针对带感性负载的交流电器的电压和电流的不同相位所引起的低供电效率，提出了一种改进方法(图1)。(由于感性负载的电流滞后于外加电压，电压和电流的不同相位增加了供电线路的负担，导致供电线路效率下降，这就需要在感性电器上并联一个电容来调节其电压和电流相位特性，例如当时需要使用的40W荧光灯。在感性负载上并联电容，利用其电容上电流超前电压的特性来补偿电感上电流滞后电压的特性，使整体特性接近电阻，从而改善低效的方法称为功率因数补偿(交流电的功率因数可以用电源电压与负载电流相角的余弦函数值cos来表示)。

图1

感性负载供电线路的电压和电流波形

自20世纪80年代以来，大量高效开关电源应用于电器领域。由于开关电源都是整流后使用大容量滤波电容，所以用电器的负载特性是容性的，这就导致交流220V两端的DC电压由于滤波电容的充放电而出现轻微的锯齿波。滤波电容上电压的最小值远不为零，与其最大值(纹波峰值)相差不大。根据整流二极管的单向导通性，只有当瞬时交流线电压高于滤波电容上的电压时，整流二极管才会因正向偏置而导通，当瞬时交流输入电压低于滤波电容上的电压时，整流二极管会因反向偏置而关断。也就是说，在交流线电压的每半个周期内，二极管只会在其峰值附近导通。虽然交流输入电压基本上仍是正弦曲线，但交流输入电流是高幅度的尖峰脉冲，如图2所示。这种严重畸变的电流波形含有大量的谐波成分，造成线路功率因数严重下降。

在正半周(1800)，整流二极管的导通角远小于1800，甚至只有300-700。由于保证负载功率的要求，在极窄的导通角期间会产生很大的导通电流，使供电电路中的供电电流处于脉冲状态，不仅降低了供电效率，还严重降低了供电线路的容量。或者当电路负载较重时，会产生严重的交流电压波形畸变(图3)，产生多次谐波，从而干扰其他电器的正常工作(这就是电磁干扰- EMI和电磁兼容- EMC的问题)。

图2

由于过去电器的感性负载(早期的电视机、收音机等电源使用电源变压器的感性器件)变为带整流、滤波电容的容性负载，功率因数补偿的意义就不仅仅是电源电压和电流相位不同的问题，还包括电源电流强脉冲状态引起的电磁干扰(EMI)和电磁兼容(EMC)问题。

这是上世纪末发展起来的一项新技术(其背景来源于开关电源的快速发展和广泛应用)。其主要目的是解决容性负载引起的电流波形严重失真所带来的电磁干扰(EMl)和电磁兼容(EMC)问题。因此，现代PFC技术完全不同于过去的功率因数补偿技术。它针对非正弦电流波形的畸变，迫使交流线电流跟踪电压波形的瞬时变化轨迹，使电流和电压保持同相，使系统成为纯阻性技术(线电流波形校正技术)，即PFC(功率因数校正)。

因此，现代PFC技术完成了电流波形的校正，解决了电压和电流同相的问题。

图3

基于以上原因，需要增加一个校正电路，对电功率大于85W(有数据显示大于75W)的容性负载电器的负载特性进行校正，使负载特性接近阻性(电压和电流的波形同相且相似)。这是现代的功率因数校正(PFC)电路。