电源如何选择主动PFC电源与被动PFC

2018-10-11 10:23字体:
  

  本文主要是关于PFC电源的相关介绍,并着重对PFC电源的原理及主动PFC电源与被动PFC电源的不同进行了详尽的阐述

  PFC的英文全称为“Power Factor Correction”,意思是“功率因数校正”,功率因数指的是有效功率与总耗电量(视在功率)之间的关系,也就是有效功率除以总耗电量(视在功率)的比值。 基本上功率因素可以衡量电力被有效利用的程度,当功率因素值越大,代表其电力利用率越高

  计算机开关电源是一种电容输入型电路,其电流和电压之间的相位差会造成交换功率的损失,此时便需要PFC电路提高功率因数。目前的PFC有两种,一种为被动式PFC(也称无源PFC)和主动式PFC(也称有源式PFC)

  被动式PFC一般分“电感补偿式”和“填谷电路式(Valley Fill Circuit)” “电感补偿方法”是使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数,被动式PFC包括静音式被动PFC和非静音式被动PFC。被动式PFC的功率因数只能达到0.7~0.8,它一般在高压滤波电容附近

  “填谷电路式”属于一种新型无源功率因数校正电路,其特点是利用整流桥后面的填谷电路来大幅度增加整流管的导通角,通过填平谷点,使输入电流从尖峰脉冲变为接近于正弦波的波形,将功率因数提高到0.9左右,显著降低总谐波失真。与传统的电感式无源功率因数校正电路相比,其优点是电路简单,功率因数补偿效果显著,并且在输入电路中不需要使用体积大重量沉的大电感器

  而主动式PFC则由电感电容及电子元器件组成,体积小、通过专用IC去调整电流的波形,对电流电压间的相位差进行补偿。主动式PFC可以达到较高的功率因数──通常可达98%以上,但成本也相对较高。此外,主动式PFC还可用作辅助电源,因此在使用主动式PFC电路中,往往不需要待机变压器,而且主动式PFC输出直流电压的纹波很小,这种电源不必采用很大容量的滤波电容

  PFC是功率因数校正的缩写,它主要被用来表示电能得有效利用率。PFC的数值越大,就说明其对电能的利用率越高。目前,只要是市面上通过了我国安规认证的的电源,都必须安装PFC电路。也就是说,如果想要将产品推向市场,那么就必须熟悉PFC电路的设计。本篇文章就将为大家介绍如何选择合适的PFC

  通常,在电源设计当中,PFC电路都会被安装在第二层滤波之后于全桥整流电路之前。PFC有能够被细分为两种,一种是无源PFC,也就是常说的被动式PFC,一种是有源PFC,即主动式PFC

  被动式PFC采用的是电感补偿方法使交流输入的基波电流,也就是交流电与电压之间相位差减小来提高功率因数,被动式PFC又分静音式被动PFC和非静音式被动PFC。被动式PFC的功率因数只能达到0.7~0.8,它一般在高压滤波电容附近

  主动式PFC则是由电感电容及电子元器件两部分所组成,它体积较小、需要通过专用的IC去调整电流的波形,对电流和电压之间的相位差进行补偿。相对于被动式PFC来说,主动式PFC可以达到较高的功率因数通常可达98%以上,但它的成本就被动式PFC来说也相对较高。此外,主动式PFC还可用作辅助电源,所以在使用主动式PFC的电路当中,往往不需要待机变压器,而且主动式PFC输出直流电压的纹波很小,这种电源不必采用很大容量的滤波电容

  这里有一个有趣的现象,很多人在在购买电源时,都喜欢购买带有主动式PFC的电源。虽然在使用上主动式PFC具有一定的优点,但是还是要看情况而言

  PFC的诞生是因为传统的二极管整流电路会对电网形成干扰,并且攻略也会降低浪费电网的容量。为了解决这个问题,引入了PFC.简单说被动PFC是一个工频电感器,利用电感中电流不能突变的原理,可以大幅降低电网干扰,同时提升功率因数

  主动PFC的优势是:电压适应范围宽,功率因数高。功率因数和转换效率是两个不同的指标。功率因数是电路的参数,交流电路中的一个指标,和线路损耗有一定的关系。功率因数的范围是 0 1.0,1.0是最理想的,0在实际电路中其实不存在。供电局对这个指标比较重视,对于一般家用没有实际意义。转换效率是关于能量转换的,直接决定电源的损耗大小。转换效率的范围是 0% 100%,100%是理想的状态,0%是最差劲的极端。这才是我们应该关心的,转换效率越低,电源损耗越大,浪费的电越多。功率因数不影响电表走字,0.1和1.0都是一样的走法。转换效率要影响电表走字,转换效率越低,损耗的电能越多,电表也会多走些。高功率因数,是在给供电局省钱

  主动PFC和电源转换效率并没有必然联系就目前市面上的产品来看,大部分高转换效率的电源都是主动PFC的,也同时拥有很高的功率因数

  由于低端产品对成本的要求过于严格,所以几乎不可能使用主动PFC设计。而购买这种商品的人同样不会关心功率因数及转换效率究竟如何。因此低端电源普遍采用了传统的电路设计,效率低,功率因数也低。高端电源主要针对电脑玩家和专业场合设计,功率普遍很大,成本可以放宽,本身卖得也很贵。被动PFC在功率超过400W以后,损耗变大,效率变低,体积太大,重量也大

  主动PFC在400W功率以上效率有优势,虽然价格贵,但是高端用户不会在乎这一点价格。高端电源通常都不会沿用传统的电路设计,而是厂家精心研发的先进电路,效率自然提高很多。最终的结果就是:高端电源几乎全都是主动PFC,功率因数很高,效率也很高

  实际上,主动PFC在低功率时,自身损耗大于被动PFC.毕竟它是一个复杂的电路,工作起来要消耗电能;而被动PFC就是一个电感。不过很少有人让高端电源工作的低负载下,这个问题也就不明显了

  为了搞定电磁干扰,EMI滤波电路要加强,电路更加复杂。有些电源在待机时发出高频噪音,也是因为主动PFC

  高端电源(400W或更高),首选主动PFC,在大功率的场合,主动PFC优势明显,高端产品成本上不受限制,电路设计优秀,完全可以弥补主动PFC的缺点。高效率高性能的产品谁都喜欢

  低端电源(350W或更低),根据自己的需求选择,不必苛求主动PFC,在成本受限的情况下,主动PFC的缺点开始暴露,电磁干扰,高频噪音。在300W这个等级,主动PFC已经完全没有优势了。在给大家举几个例子

  首先说额定400W的电源,主动PFC,两级EMI滤波,电路设计比较前卫,转换效率很高,自身发热小,因为开关频率很高,超过了人能听见的范围,听不到高频噪音

  400W;主动PFC;三级EMI滤波;传统的主动PFC设计,转换效率不高,自身发热一般;开关频率不算高,有明显的高频噪音

  450W;主动PFC;三级EMI滤波;传统的主动PFC设计,转换效率偏低,自身发热大,开关频率应该比较高,没有明显的高频噪音

  500W;被动PFC;两级EMI滤波;传统的被动PFC设计,转换效率糟糕,发热巨大。没有任何高频噪音,不过风扇的噪音很大

  在我们讨论PFC(功率因数校正)电路之前,还是让我们先来简单的了解一下什么叫做“功率因数(PF)”吧

  功率因数(PF)是指,实际功率(有效功率)与视在功率(表观功率)的比率(kW/kVA),而我们都知道,功率P等于电压与电流的乘积(P=V×I)。另外,在电路中会存在着最基本的两种电路负载,一种为“电阻(由电源中各种电阻构成的电路负载)”,另外一种为“电抗(由电源中电感线圈和电容构成的电路负载)”

  如果整个电路都是线性负载(电路阻抗为恒定常数的负载),那么电源电压和电流都将会呈现为正弦曲线,并且相位相同。而如果在这个纯电阻电路中,那么电压和电流都会在同一时刻逆转极性,那么也就是说,在每一时刻,电压与电流的乘积都为“正”。也就是说,在电路中,没有“反方向(负极方向)”的能量移动,而此时所产生负载功率才被称为“实际功率”

  而在一个纯电抗负载电路中,电压和电流之间会产生一定的是时间差,也就会出现相位差(最大理论值为90度,一般情况多为45度),那么电压与电流的乘积,就不一定每一时刻都为“正”了。在第一个半周期内,能量为“正”,另外一个半周期内能量为“负”,那么就是说,前半周期电源从电网中获取能量,而在后半个周期内,这些能量又会回流到国家电网中。所以如果按照一个周期计算,那么电源获得的能量会为“零”,没有能量

  上面的两种描述都是纯理论的理想状态。但在实际应用中,电路中会有大量的电阻、电感和电容,在同一时刻都会有负载,也就会产生不同方向的“能量”。因此,所有的正向能量,我们称其为“实际功率”,而反向回流电网的能量则称之为“无用功率”,那么“实际功率”与“无用功率”的综合,就是之前我们所说的“视在功率”

  但正如我们之前所提到的,“功率因数”实际上就是“实际功率”与“视在功率”的比值。而最为理想的比值为“1”,当然这还无法做到,因此只能无限接近于“1”,这个数值我们一般称之为“功率因数”

  这里我们需要指出的是,居民用户只需要支付实际功率(瓦数)所消耗的电量,则不会支付回流到电网中无用功率的电量。而对于商业工厂用电则会追加无用功率这一部分的用电,因为他们所消耗电量的基数太大了

  虽然对于居民用户来说,我们不需要支付无用功率的电费,但是根据《欧盟EN61000-3-2号标准》(当然中国也有相关的法规条款),凡是功率擦超过75W的开关电源,都需要至少安装被动PFC模块。此外,在80Plus电源认证中,则要求功率因数需要超过0.9,甚至更多

  不过在数年前,许多的电源厂商大多都在电源产品中使用被动PFC模块。而PFC模块则是一个减少谐波电流,并且将非线性负载转换成线性负载的过滤器,电容和电感所产生的功率因数则会向单位值跟近一些

  因此,我们接下来要说的,就是主动PFC和被动PFC电路。被动PFC相对主动PFC,功率因数较低,并且被动PFC只适用于230V高压电网,对于115V低压电网,被动PFC还需要一个倍压器以适应电网规格。不过,被动PFC比主动PFC的效能要高

  对于主动PFC来说,它基本上是一个通过PWM(脉冲宽度调制)控制电流波形的AC/DC整流器。在最开始,AC电压通过整流桥整流。然后PWM触发主动PFC电路中的MOSFET管(通常是两个),分离中间直流电压到恒定脉冲序列。这些脉冲信号通过滤波电容,将相对平顺的电流送到主开关电路。而在此之前,我们还会看到一个大个的电感线圈,而这个大电感可以对突然涌入的电流起到缓冲和梳理的作用,当然磁线圈也是电抗产生的重要元件

  此外,在主动PFC电路中我们还会看到一个热敏电阻,同样是用来限制突然涌入的电流,特别是当电源通电以及启动时

  主动PFC电路通常也有两种不同的模式,电流断续模式DCM(Discontinuous Conduction Mode)和电流连续模式CCM( Continuous Conduction Mode)。其中DCM是指,当电感电流为零时,PFC的MOSFET管被开启的工作状态;CCM是指,电感电流始终在零以上,PFC的MOSFET管被开启的工作状态,因此在MOSFET管中,所有的反向恢复的能量都会被浪费

  在电源PFC电路中的第二种模式(CCM)主要被用于超过200W功率输出的电源,因为他能够提供相对较低电流噪声峰值,这意味着高功率电源可以有效抑制电流纹波,输出更为平顺的电流。不过CCM的缺点是耗能较高,并且在升压二极管关闭时,会产生额外EMI,所以我们经常会看到电源整流桥后通常会增加一个X电容

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