PFC 电路之有源VS无源

PFC电路在实际应用过程中，通常会分为有源PFC和无源两种，其应用效果和操作模式也有所差别。今天就让我们来看一下这两种PFC电路的工作原理和设计思路吧。

一、有源PFC电路

作为功率因数校正的一种有效方案，有源PFC电路相比较无源PFC来说，在功率因数校正方面有很好的效果，不仅可以完全消除电流波形的畸变，而且电压和电流的相位可以控制保持一致。有源PFC在运行时基本上解决了功率因数、电磁兼容、电磁干扰的问题，但其主要缺点是电路非常的复杂。

在进行有源PFC电路的设计时，一个基本的设计思路是在220V整流桥堆后去掉滤波电容，这样做主要是为了消除因电容充电造成的电流波形畸变及相位变化。然后由一个斩波电路，把脉动的直流变成高频交流经过整流滤波后，其直流电压再向常规的PWM开关稳压电源供电，其过程是AC→DC→AC→DC。其具体的设置过程如下图所示：

有源PFC电路的基本工作原理大致如下：这种有源功率因数校正电路之所以能够能够实现滤波功能，其主要的工作原理是在开关电源的整流电路和滤波电容之间增加一个DC-DC的斩波电路，在运行过程中，斩波电路等于附加一个开关电源。有源PFC电路对于供电线路来说，整流电路输出没有直接接滤波电容，所以其对于供电线路来说呈现的是纯阻性的负载，其电压和电流波形同相、相位相同。斩波电路的工作也类似于一个开关电源，所以说有源PFC开关电源就是一个双开关电源的开关电源电路，它是由斩波器和稳压开关电源组成的。

一、无源PFC电路

无源PFC电路在实际应用的过程中，由于其成本相对较低，因此曾经一度得到了广泛的应用。不过，这种PFC电路设计方式目前已经逐渐开始被有源PFC电路所代替。尽管如此，作为一种比较基础的PFC方式，刚刚开始接触电路设计工作的新人工程师们还是有必要了解一下无源PFC电路工作原理知识的。所谓无源PFC电路，顾名思义，就是在其电路设计的过程中并不使用晶体管等有源电子元器件，换句话说，这种PFC电路是由二极管、电阻、电容和电感等无源元件组成。无源PFC电路有很多类型，其中比较简单的无源PFC电路由三只二极管和两只电容组成，这种比较基础的电路设计图如下图图1所示。

接下来我们就以图1中所展示的无源PFC电路设计图为例，来为大家介绍一下这种PFC电路工作运行原理情况。从图1中可以看到，当50Hz的AC线路电压按正弦规律，由0向峰值Vm变化的1/4周期内，该系统的桥式整流器中，二极管VD2和VD3导通，与之相对应的是二极管VD1和VD4截止，此时电流对电容C1并经二极管VD6对C2充电。当VAC，瞬时值达到Vm，因C1=C2，故电容C1、C2上的电压相同，均为二分之一Vm，当AC线路电压从峰值开始下降时，电容C1通过负载和二极管VD5迅速放电，并且下降速率比AC电压按正弦规律下降快得多，因此直到AC电压瞬时值达到1/2Vm之前，二极管VD2和VD3一直导通。当瞬时AC电压幅值小于1/2Vm时，电容C2通过VD7和负载放电。当AC输入电压瞬时值低于电路的DC总线电压时，二极管VD2和VD3截止，此时AC电流不能通过整流二极管，于是IAC出现死区。在AC电压的负半周开始后的一段时间内，VD1和VD4不会马上导通。只有在AC瞬时电压高于桥式整流输出端的DC电压时，VD1和VD4才能因正向偏置而导通。一旦二极管VD1和VD4导通，电容C1和C2再次被充电，于是出现与正半周类似的情况，此时我们可以得到图2所示的AC线路输入电压VAC和电流IAC波形。 从下图图2所提供的输入电压和电流波形图中我们可以看出，采用无源PFC电路取代单只电容滤波，整流二极管导通角明显增大，且这一二极管导通角度明显大于120°，而AC输入电流波形则会变得平滑一些。在选择C1=C2=10μF/400V的情况下，线路功率因数可达0.92~0.94，三次电流谐波仅约12%，五次谐波约18%，总谐波失真THD约28~30%。

在对无源PFC电路工作原理进行简要的分析后我们可以看到，尽管这种低成本的PFC电路具有一定的优势，但是其显著缺点就是DC输出电压纹波较大，数值偏低，而且这种PFC的电流谐波成份不能完全达到低畸变要求，同时还会相应的增大电路设计的难度。这也就是为什么近年来有源PFC设计越发占据优势的重要原因所在。