PFC电路详解.pdf

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PFC技术整理文档技术整理文档原文来自郝铭-高端电视维修培训专家http:

/www.haoming.cc一、一、PFC是什么？

是什么？

现在进行液晶电视机和等离子电视机电路分析时、故障维修时，都经常的提到“PFC电路”一词，这在早期的电视机中是没有的，早期维修电视机的师傅从来没有接触过的，但是PFC电路是目前液晶电视机和等离子电视机中不可缺少的电路。

那么PFC到底是什么？

是一项新技术？

还是新电路？

先简单说说PFC的定义：

PFC是英文的缩语；全称为“PowerFactorCorrection”，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。

例如一台电源变压器的耗电量（输入功率）是100W，输出功率有90W,那么这台变压器的功率因数就是90W100W=0.9。

一个电熨斗的耗电量是300W,使用时产生的热量也为300W，那么这只电熨斗的功率因数就是300W300W=1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。

功率因数最大为1，不可能超过1。

这个衡量电力有效利用程度的指标，对于我们电视机的生产厂乃至电视机用户；有用吗？

有必要吗？

既然没有必要，电视机用户一般也没有计较过一台电视机是否充分的利用了所消耗的电量，那么电视机内部设置此电路增加了生产成本；其目的是为什么？

要回答以上的问题，我们先来了解一下什么是功率因数，什么原因造成功率因数低？

为什么有的电器功率因数低，有的电器功率因素就不低？

有什么方法来提高（校正）功率因数，怎么知道功率因素是否达到最高

（1）。

电视机的功率因数校正电路（PFC电路）是怎么回事？

电视机的功率因数电路是要解决什么问题？

要把这一系列的问题搞清楚才能有一个明确的认识。

要弄清楚什么是功率因素校正就必须弄清楚几个概念，这就是：

有功功率、无功功率、视在功率（总功率）、功率因数；1有功功率：

有功功率：

任何电器设备工作时都要消耗电能并输出能量，例如我们的电饭锅、电熨斗、取暖的电热汀等，它们把消耗的电能转化成为热能，这些转化为热能的电功率都等于是做功了，就称为有功功率。

同样一台电动机也消耗电能；使之旋转输出机械功率，这个输出的机械功率就是有功功率。

一台电源变压器把220V的交流市电进行了升压或降压的变换输出提升或下降的电压的电功率，这个输出的电功率就是有功功率。

那么有功功率就是电器实际输出的电能、热能、机械能等实际“做功”的功率。

2总功率（视在功率）：

总功率（视在功率）：

就是电器设备供电电路中电流和电压的乘积，单位为伏安（VA），也就是电器设备消耗的总功率，有的文献称为：

视在功率。

3无功功率：

无功功率：

总功率（视在功率）减去有功功率就是无功功率。

根据能量守恒定律，输入多少功率就应该输出多少功率，也就是说功率因数都应该是1才对。

例如电熨斗耗电为；300W那么；此电熨斗就会产生300W功率的热量。

那么哪些电器会有无功功率产生？

无功功率是怎么来的？

有许多用电设备均是根据电磁感应原理工作的，如配电变压器、电动机等，它们都是依靠建立交变磁场才能进行能量的转换和传递。

为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率就称为无功功率，即是在电磁感应的过程中消耗的电功率，因为此电功率并没有实际做功，而是转变为其他形式的能量时付出的代价。

凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗功率这个消耗的功率就是无功功率。

无功功率的单位是；“乏”（Var）。

比如40瓦的日光灯，除需40瓦有功功率来发光外，还需80乏左右的无功功率供镇流器的线圈建立交变磁场用。

由于它不对外做功，才被称之为“无功”。

，所谓的无功并不是无用的电功率，只不过它的功率并不转化为机械能、热能而已（是和电网进行了能量交换）。

凡是具有感性负载的电器设备及用电器具（电能的输入都有电磁感应的过程）都存在无功功率损耗的问题。

纯阻性负载的电器设备及用电器具（电熨斗、电热油汀、电饭锅等）都没有无功功率损耗的问题。

4功率因素：

功率因素：

加到电器设备上的总功率和有功功率的比值就是功率因数。

例如一只电熨斗在使用时；供电电压为220V,供电电路中电流为5A，这就是总功率。

那么这只电熨斗的总功率为1100W（220V5A=1100W）,电熨斗工作时把这个1100W电功率都转换成了热量，这个热量都熨烫衣服了，也就是这1100W电功率都变成了有功功率输出了，此时，有功功率和总功率都是1100W，有功功率1100W总功率1100W=1,那么此电熨斗的功率因数就等于1。

例如一台电风扇在工作时；供电电压为220V，供电电路中电流为0.5A，那么总功率就为110W，电风扇扇叶的旋转是由电流流过电动机绕组产生的旋转磁场驱动电动机转子旋转带动的。

电动机旋转的机械功的输出只有100W的功率。

那么这个电风扇的功率因数就是：

100W110W=0.91（另外的10W功率在产生旋转磁场的电磁感应过程中与外界电源进行能量的交换）。

由上面两例案例可以看出电熨斗是属于阻性负载，电能通过阻性负载直接转化为热能，没有经过其它的过度转换形式，而电风扇的电动机则要把电能先变成磁场能，磁场能在变化为机械能，电能转换为机械能的过程中；有一个电能转变为磁场能；磁场能再转换为机械能的过度阶段，这个过度阶段称为：

电磁感应。

电磁感应的过程是要消耗能量的，这个能量的消耗就是无功功率。

显然无功功率消耗越小，电器的效率越高，功率因数就越大（功率因数最大也不会超过1）。

具有电感性负载的用电设备，都有电磁感应的过程，所以电感性负载的用电设备功率因数都小于1。

二、工业系统的功率因数校正（二、工业系统的功率因数校正（PFC）我们的市电及工业供电均是交流供电，其交流电的波形是正弦波。

由于工业系统大量应用大功率的电感性负载设备，例如大功率的电动机、大型配电变压器等，这些感性设备在正弦交流供电工作其功率因数都小于1，有的甚至低于0.9以下，这些设备在工作时需要消耗大量的无功功率，由于无功功率在电网中的流动，增加了供电线路的负荷，线路压降增大增加电能的损耗。

为什么会有这些不好的现象产生？

要弄清楚其原因还要依靠电磁感应的基本原理来进行解释。

我在本博客关于电磁感应文章（学好电磁感应的原理提高我们分析电路判断故障的能力）里面已经介绍；外加电势加到感性负载上，由于其自感电势的对抗，负载内部的电流不会立即上升，而是先有电压后电流才能逐步上升，也就是电压超前电流。

那么正弦交流电加到电感性设备上；电压和电流的关系会怎么样呢？

因为正弦交流电的幅度是周期性变化的；一个周期是360度；（由00900180027003600）。

图2.1所示是连续正弦交流电的波形。

图2.1这样一个正弦波形的交流电加到感性负载上，在感性负载的内部也会产生一个自感电势来对抗外加正弦波形电势引起电流的变化，图2.2所示；由于自感电势的方向总是和外加电势方向相对抗的（楞次定律），所以在图2.2中虚线所示是自感电势V感和外加电势V是反相的关系，自感电势也是正弦波形。

图2.2由于自感电势的对抗，感性负载内部电流的产生滞后于外加电势。

现在外加电势是正弦波形，那么在负载内部就有具有一定滞后量的电流，其波形即也是正弦波形。

图2.3所示；在图中蓝色粗虚线所示就是感性负载中电流的波形，（在正弦交流电路中；纯感性的负载中的电流滞后于电压90）。

图2.3从图2.3可以看出：

当外加电压V的瞬时幅度达到最大值时（90）；此时电流I的瞬时幅度为0。

当外加电压V的瞬时幅度下降为0时（180）；此时电流I的瞬时幅度为最大值。

当外加电压V的瞬时幅度达到最大负值时（270）；此时电流I的瞬时幅度为下降0。

当外加电压V的瞬时幅度回升为0时（360）；此时电流I的瞬时幅度为最大负值。

依此循环；这就形成了在正弦交流电路中；电感性负载两端所加的电压和内部流过的电流在相位上不同步：

当供电电路电压瞬时值（绝对值）达到最大时；其电流瞬时值为0，当供电电路电压瞬时值降为0时；其电流瞬时值（绝对值）即达到最大值。

通过对图2.3的分析可以得出如下结论：

在正弦交流电路中，纯电感两端的电压超前电流90，或者说，电流滞后电压90，图2.4所示。

图2.4当电流达到最大值时供电电路的电压为零。

这就造成了一个恶果；即在电流达到最大值时，因为电路电压为零，感性负载内部的电流会回流到供电电路中。

由于工业系统中的感性设备功率庞大，这些回流的电流也是巨大的，这些回流的电流和原来电路中电流叠加，这就增加了供电线路的负荷，线路压降增大、增加电能的损耗，这是供电、用电部门都不愿意看到的，必须要解决的。

功率因素的校正就是禁止电感性负载的电流（感性电流）回流入电网，始终要保持电网中的电流和电压相位相同。

解决的方法：

就是在靠近电感性负载的两端并联一个容量适合的电容器，使回流的电流流进电容器；对电容器充电。

使电容和电感之间不断的充电、放电进行能量的交换，来维持感性负载的电磁感应过程，而供电线路不受影响，既保证了供电电路电压和电流的同相关系，又保证了用电方能量的利用。

现在工业中用电系统的大“电容器柜”、“电力电容器”就是干这个用的。

在正弦交流电路中电容器的特性是；电流超前电压90（电工原理），而正弦交流电路中电感的特性是；电压超前电流90，一个电压超前电流90，一个电压滞后电流90，把这两个（电感和电容）放在一起，只要参数搭配适当，就达到了电压和电流的相位相同，只要搭配精确功率因数就校正到接近于1了，多么巧妙。

图2.5所示；图2.5可以看出采用在感性设备上并联电容器来校正功率因数的原理是：

感性负载和电容器之间就地进行能量交换，感性负载所需用的无功功率一部分或大部分可以由并联的电容器供给。

能量的吸收与释放，原来只在负载与电源之间进行，现在一部分或大部分改在感性负载与电容器之间进行，从而减小因能量交换而在外部线路上流通的那部分电流，节省了能耗、降低了线路损耗，这是供电、用电部门希望看到的结果。

在正弦交流电路中，阻性负载（电熨斗、电炉）是电压、电流同相位，感性负载是电压相位超前电流相位，容性负载是电流相位超前电压相位，如果在感性负载的电动机，变压器上并联一个适合的电容器；超前的和滞后的相互抵消，那么从电网看过去，这个感性负载的电动机或变压器的供电电压和电流相位就相同了，也就是其负载特性也变成阻性的了，某些部门也就是依靠判断电路中电压、电流的相位差，来判断其设备的功率因数是否校正合格。

对于PFC的概念上面已经叙述很多了，下面把电力系统功率因数及功率因数校正（PFC）概念总结一下以利于对后面讲述电视机开关电源PFC电路的概念进行区分及理解。

（注意：

电视机开关电源电路中的PFC概念完全不同于前述工业电力系统PFC的概念）总结：

在工业电力供电系统中；如果用电设备的负载特性含有感性（主要是感性）成分，则会在外界正弦波电压上升期内形成能量存储（电感器件磁场中存储的能量为El=0.5LI2）。

在正弦波电压下降期内，电感性器件中存储的能量将会返回电网，形成无功功率。

由此可见，用电设备形成无功功率有两个必要条件：

1、用电设备中必须包含能存储电能的感性电抗（L）成分的负载，以在正弦波电压上升期存储能量。

2、在正弦波电压变化的过程中，存储在感性电抗（L）器件中的能量必须要能返回电网。

无功功率就是指用电设备感性电抗器件中存储的返回电网的能量（这个能量只参与感性负载的电磁感应过程），这部分能量没有对负载做功。

而且形成电流返回电网的无功功率增加了电网的负担，减少电网对其它设备供电的容量，返回电网的无功功率，被供电电路的阻性成份转化为热能损耗掉了，这即有损于供电部门的利益也有增加了电能用户的经济负担。

在具有感性电抗（L）成份的负载端，并接一只适当容量的电容器，把负载电抗成份返回电网的能量进行吸收存储，在下一个周期，电抗成份进行能量存储时由电容器存储的能量对电抗分量进行释放，以完成电抗成份负载的电磁感应过程，这样即减少的能量回流引起电网的负担，下一个周期的电磁感应过程又不产生新的能量损耗，是一个利国利民的好措施，这就叫：

功率因数校正（PFC）。

注：

cos是什么？

在一些其它的书籍中把电路的功率因数用cos来表示，也就是；在交流电路中，有功功率为：

P=UIcos。

式中的P表示功率，U表示电压，I表示电流。

也就是功率等于电压和电流的乘积。

式中cos表示电压和电流之间的相位差（在正弦交流电的相量表示法中，当电压电流同相位时COS=1,当电压和电流相位不同，出现相位差时COS均小于1）。

（三角函数cos是cosine的简写.表示余弦函数，按现代说法，余弦是直角三角形的邻边与斜边之比。

在交流电的电压、电流相量表示法中；邻边与斜边分别表示电压和电流的相位，cos表示电压和电流的相位差的大小）三、电视机开关电源中的功率因数校正（三、电视机开关电源中的功率因数校正（PFC）。

）。

由于电视机开关电源的PFC涉及的内容、知识太多，准备以下以两次或者三次发表（分为第一部分及第二部分，第三部分准备发表各种不同平板电视开关电源PFC电路的分析。

下、电视机开关电源的PFC前面介绍的工业电力系统PFC的概念，主要是补偿在交流市电供电系统中感性负载设备工作时；因电磁感应现象而产生的无功功率回流入电网；造成电网负担过重及能量的损失。

而在我们现代的采用开关电源的电视机等用电设备中；交流市电进入开关电源直接连接于整流二极管上（整流二极管电路可以是半波整流或桥式整流电路），图3.1所示。

交流市电经整流后再经过电容器滤波变成稳定的直流供后续电路使用。

直接连接于市电的元件是整流二极管，对于市电电源来说其负载特性并不是前述的感性负载，也没有无功功率回流入电网，其功率因素已经达到了0.98甚至达到了1。

那么为什么在开关电源电路中还要设置PFC电路？

那么现代电视机的开关电源对于市电供电电路来说这是一种什么样的负电路？

它有什么样的负载特性？

220V交流正弦波电压加到这样的负载电路上其电压和电流波形会有什么样的不同？

流入开关电源的电流波形和加到开关电源上的电压波形还能一样是正弦波吗？

两者相位能同相吗？

这种二极管整流滤波的负载电路有没有无功功率回流到电网的问题？

有没有功率因数降低的问题？

半波整流电路桥式整流电路图3.1上述的这一切问题我们需要对图3.1电路中，正弦波交流电压加到整流电路上，整流二极管上流过的是什么样的电流波形及电流波形的变化进行分析才能回答上述系列问题。

首先既然市电的电压波形是220V正弦波交流电，我们就来研究分析一下这个220V的正弦波交流电压有什么样的特点，图3.2所示是现代市电供电的220V正弦波交流电一个周期的电压波形图。

图3.2从图3.2可已看出，这个正弦曲线是一个有规律的电压大小方向随时间周期性变化的正弦曲线图，0轴以上为正半周，0轴一下为负半周。

这也是我们国家市电电网供电的电压波形图，电压的幅度是220V频率是50（每秒50个周期）。

这个交流电在幅度上：

是大小方向在周期性的变化，那么，220V是指什么位置的电压值？

图3.3所示就是220V交流市电的电压幅度标准：

图3.3从图3.3的电压波形图中，正弦波幅度的最大值（波峰顶部）称为“峰值”，把这里定义为1（图中为1.00），那么在幅度为0.707的位置；称为“有效值”，我们平时所说的交流电压的电压值就是指0.707这一点的电压值。

220V交流电；就是电压有效值为220V的交流电。

那么这个有效值为220V交流电其峰值就是220V0.707=311V,也就是我们220V交流市电的峰值达到了311V，这只是正半周一边的电压值，加上负半周一边，平时所指的220V交流电其正峰值和负峰值的幅度达到了622V。

这个交流电在时间上：

交流电的电压值是大小周期性的变化，也就是在0度到360度的一个变化周期内，电压的幅度值是按照正弦规律变化；在0度时电压值为零；90度时电压值上升到最大值，180度时电压值下降到零；270度时电压值下降为负的最大值；360度时电压值又回升为零，图3.4所示。

图3.4这样的一个正弦交流电压就是我们目前的市电供电电压，这个电压加到具有开关电源的电视机或电气设备上，会产生什么样的电流波形？

和原来的电压波形有什么不同？

会产生什么不良的后果？

我们把这个220V的正弦交流电加到不同的两个半波整流电路上分析其产生的电流的波形。

（1）、没有滤波电容的半波整流电路：

图3.5所示。

图3.5在图3.5中左边波形图显示是加到整流二极管上的正弦交流电压波形图，右边波形图显示是流经二极管的电流波形图。

加到二极管上的正弦波交流电压经过二极管D整流后加到负载RL上，这是一个整流输出没有滤波电容的半波整流电路，在左边的正弦波电压为090时间；二极管D导通；电流经过二极管及负载RL流通,流过二极管的电流波形如图右边波形图显示，右边图中；阴影部分表示流过二极管及负载RL的电流波形。

这是一个类似馒头形脉动直流电流波形，由于负载RL是阻性,所以负载两端的电压波形也一样是类似馒头形的电压波形图，我们暂且称为；“馒头波”（文中以后就把未经滤波的整流正弦交流电的波形都称为：

“馒头波”）。

从右边的图中分析；可以看出；一个周期（0360时间）的正弦波交流电001800时间二极管正偏导通，180360时间二极反偏管截止。

结论：

在未加滤波电容的整流电路中，整流二极管的导通角为180，电流（电压）波形幅度变化的规律是按照正弦曲线由零逐步增大到最大值，在由最大值按照正弦曲线逐步下降为零。

（2）、没有滤波电容的全桥整流电路：

图3.6所示。

图3.6全桥整流电流实际上就是一个全波整流电路，输入正弦波交流电压在0180（正半周）时间；D1、D2导通，在180360（负半周）时间D4、D3导通，输入正弦波的正、负半周都经过二极管形成电流对负载供电。

由于输入交流电的正、负半周期经过4只整流二极管在负载上都形成了一个单方向（直流）的供电，所以称为：

“全波供电”。

从图3.6右边的电流（电压）波形图可以看出，其波形的形状仍然是馒头形波形，只不过“馒头”排列加倍的紧密（图3.5、图3.6对比）。

（3）、二极管输出端有滤波电容的半波整流电路图3.7所示上面介绍的无滤波电容的二极管整流电路，虽然是直流输出但是输出的是脉动的直流电，电压振幅的变化由零到最大值的“馒头波”，这种波形的脉动直流电作为供电源不能被许多电路所接受，一般的电路需要波纹系数很小的比较平滑的直流电供电工作，所以在二极管整流后增加一个滤波电容器，把振幅变化较大的脉动电压，过滤成平滑、波纹系数较小的直流电。

虽然在整流二极管的的输出端增加了一只滤波电容，但是对电路的输入、输出、电压、电流特性都产生了较大的影响，特别是对其它的电器设备也会产生不良的影响。

我们先来分析一下正弦交流电压加到整流电路上；输出电压、及流过整流二极管的电流波形都有什么变化？

、整流二极管输入220V交流电的0360第一个正弦波周期时间：

在图3.7中：

加到二极管D上的220V交流正弦波电压，在090（T0T1时间），电压由0V逐步上升，整流二极管D导通，电流由零逐步上升对负载RL供电，并同时对电容器C充电。

随着输入电压达到最大值（T1时间）311V（220V交流电的峰值）电容器两端的电压随之上升充电达到最大值311V（上正、下负）。

这也是为什么220V的交流电经过整流以后，用万用表测量滤波电容两端直流电压达到300V以上的原因。

图3.7当输入的220V正弦波交流电压在90180（T1T2时间），图3.8所示；整流二极管D的输入电压由最大值（TI时间）逐步下降；最终到零（T2时间），这时由于整流二极管D的输出端连接的电容器C在T0T1时间被充电到311V,这个电压使二极管D输出端电压也达到+311V（由于电容器两端电压不能突变）并较长时间保持，在T1T2时间二极管D处于反偏截止状态。

这时由于二极管D截止，负载RL由电容器存储的电能维持供电，尽管对负载RL供电产生电流消耗能量，但是由于滤波电容的容量都选取的较大（大于数百微法），在T0T1时间充电时已存储了足够的电能，所以电容器两端的电压下降极为缓慢，如图3.8所示。

图3.8通过上边T0T1及T1T2这两个时间端可以看出；二极管D输入的虽然是正弦波的正半周（0180），但是二极管只有在T0T1时间导通，导通角只有90，（如果没有滤波电容导通角就是180，如图3.5所示的没有滤波电容的半波整流电路）。

图3.9所示就是二极D在交流正弦波电压加到有整流滤波电容电路的二极管输入端时，二极管D导通的电流波形图；图中阴影部分所示是二极管导通的电流波形，由于滤波电容的存在，二极管D在90180（T1T2时间）没有电流。

结论：

在正弦交流半波整流电路中，如果整流输出不用滤波电容；整流二极管的导通角为：

180，如果整流输出采用滤波电容，则整流二极管的导通角小于180。

图3.9显然由于整流二极管D的输出端连接了一只滤波电容器C，电容器C上在090（T0T1时间）电压已经被充至311V，此电压限制了二极管在输入端正弦波在90180（T1T2时间）的导通，那么在180360（T2T4时间）的负半周时间二极管更是反偏截止的。

在这第一个正弦波周期的0360当中，整流二极管只导通了090。

也就是在从T0T4这一个正弦波时间周期内，整流二极管只在T0T1这个输入正弦波电压上升时间段导通，从T1T2这个输入正弦波电压下降时间段及T2T4这个输入正弦波电压负半周时间端，整流二极管D均处于反偏截止状态，如图3.10所示，此T1T4这个时间段负载RL的供电完全依靠滤波电容C存储的电能供电。

图3.10为了保证在T1T4这个二极管D截止的时间段，负载RL上能保证充分的电能提供，电压不至于下跌过多（在T1T4时间段由于电容C对RL的放电，电容C两端电压会有所下跌），所以一般在设计整流滤波电路时；根据负载RL的大小，选取足够电容量的电容器，一般选取容量巨大的电解电容，负载RL的电流越大，电容量选取就越大（电容量是根据交流电的电压、频率、负载电流的大小、波纹系数、整流是全波还是半波的要求计算得出），对于电视机开关电源的（市电220V50H）正弦波交流电全波整流电路中，在相同的波纹系数要求下；滤波电容是100微法至400微法之间选取，负载电流大的电容量要大一些，负载电流小的电容量就小一些，为了保证在T1T4整流二极管D截止时间，负载能保证有充足的能量提供，就要求在T0T1（090）时间段，整流二极管D导通期间，二极管有充分的足够的电流流量，此时既要对负载RL供电，又要对电容器C进行大电流的充电；进行电能的存储，所以，有滤波电容的二极管整流电路，其整流二极管D在090（T1T4时间）导通的电流比不用滤波电容的二极管整流电路导通电流巨大的多。

只要滤波电容C的容量足够，在整流电路工作时T0T1（090）时间段能保证充电充足，不管负载电流多大，用电压表测量电容器两端电压，都能保证测量值在输入正弦波的峰值附近（300V以上），如果用电压表测量某个开关电源的整流滤波电路的输出电压小于300V，则可以考虑，该整流滤波电路的滤波电容容量不足或者滤波电容损坏了。

、整流二极管输入220V交流电的360720第二个正弦波周期时间：

我们来看看整流二极管D输入端接下来输入的第二个正弦波周期（360720）整流二极