【電子精選】分享-功率因數(shù)校正(Power Factor Correction)-KIA MOS管

PFC--PFC的英文全稱為“Power Factor Correction”，意思是“功率因數(shù)校正”，功率因數(shù)指的是有效功率與總耗電量（視在功率）之間的關(guān)系，也就是有效功率除以總耗電量（視在功率）的比值。基本上功率因數(shù)可以衡量電力被有效利用的程度，當功率因數(shù)值越大，代表其電力利用率越高。

功率因數(shù)是用來衡量用電設(shè)備用電效率的參數(shù)，低功率因數(shù)代表低電力效能。為了提高用電設(shè)備功率因數(shù)的技術(shù)就稱為功率因數(shù)校正。

對于一個整流電路，在輸出端都會并聯(lián)一個濾波電容(或者一排電容)，以讓輸出的直流能更平滑，然而濾波電容會造成交流輸入電壓與輸入電流間的相位偏移。

我們都知道功率因數(shù)的定義為有效功率與視在功率的比值，如果AC電壓和電流間的相位差為φ，那么功率因數(shù)(PF)=cosφ。如果想要提高電路的效率，那就必須想辦法提高PF。

然而，對于整流電路，只有當AC電壓大于濾波電容兩端電壓Vc時，才會有輸入電流，這種特性就造成了AC電流波形完全從正弦波偏離，會極大地影響功率因數(shù)。為了盡量使AC電流變回正弦波，我們引入了PFC電路。

電流I從正弦波偏離

<補充>關(guān)于PF=cosφ的推導(dǎo)：

1) 阻性負載

對于純電阻負載，電壓與電流間不存在相位差，所以PF=1。

阻性負載

2) 容性/感性負載

對于容性或感性負載，因為電壓與電流間存在相位差，所以PF<1。

容性負載

PFC拓撲

被動式/無源式(Passive PFC)

使用了被動式PFC的全波二倍壓整流電路的拓撲結(jié)構(gòu)如下圖所示。在被動式PFC中，電感被用來提高功率因數(shù)。

部分開關(guān)式(Partial-switching PFC)

與被動式PFC相比，部分開關(guān)式PFC增加了一個開關(guān)器件，通過延長電源電流輸出時間來提高功率因數(shù)。當開關(guān)器件導(dǎo)通時，來自電源的電能會儲存在電感中。因此，部分開關(guān)式PFC還具有boost的功能。

主動式/有源式(Active PFC)

最基礎(chǔ)的主動式PFC(利用了boost電路)的拓撲結(jié)構(gòu)如下。紅色箭頭代表了MOSFET導(dǎo)通時的電流路徑，綠色箭頭則是MOSFET關(guān)斷時的電流路徑。根據(jù)電流的導(dǎo)通模式，主動式PFC可以分成3種模式：CCM，CRM(BCM)，DCM。

基于boost電路的主動式PFC

① 連續(xù)導(dǎo)通模式(Continuous Conduction Mode, CCM)

在連續(xù)導(dǎo)通模式下，一直會有電流流過電感，因此MOSFET需要在電感電流變成0之前開通。通常來講，CCM會工作在一個固定的頻率下，以控制AC輸入電流呈正弦波。和其他模式相比，CCM的優(yōu)點是能夠降低電感電流的紋波。

其缺點是，當MOSFET開通時，濾波電容的電壓會反向加在二極管上，由于正向?qū)〞r的少數(shù)載流子們依舊聚集在PN結(jié)兩側(cè)，在這個反向電壓的作用下少數(shù)載流子會發(fā)生漂移運動，二極管會形成較大的反向電流。

這個反向電流再加上電感電流會一起流過MOSFET，因此MOSFET會產(chǎn)生較大的開通損失(turn-on loss)。為了減少這種開通損失，建議選用SiC肖特基二極管(Schottky Barrier Diode, SBD)，因為肖特基二極管的反向恢復(fù)時間較短。

連續(xù)導(dǎo)通模式

② 臨界導(dǎo)通模式(Critical Conduction Mode, CRM/Boundary Conduction Mode, BCM)

在臨界導(dǎo)通模式下，MOSFET會在電感電流降到0時開通，因此MOSFET的開通損失較小。CRM需要監(jiān)測電路輸出電壓，然后根據(jù)電壓調(diào)整MOSFET脈沖寬度。

當輸出電壓過高時，會減小MOSFET脈沖寬度；當輸出電壓過低時，會增加MOSFET脈沖寬度。所以諧振頻率也不會固定，因為需要根據(jù)輸出電壓調(diào)整。

臨界導(dǎo)通模式

③ 不連續(xù)導(dǎo)通模式(Discontinuous Conduction Mode, DCM)

在不連續(xù)導(dǎo)通模式下，每個周期內(nèi)都存在電流為0的時期。與其他兩種模式相比，DCM的峰值電流較大，MOSFET關(guān)斷損失(turn-off loss)較大，電路的整體效率較低。但是，DCM不會受到二極管反向恢復(fù)時間的影響，MOSFET的開通損失也很小。

不連續(xù)導(dǎo)通模式

④ 3種模式的比較

PFC應(yīng)用電路

MOSFET并聯(lián)型PFC(PFC with parallel MOSFETs)

使用多個MOSFET并聯(lián)能夠支持大電源輸入，因為電流會被分流，也同時減小了開關(guān)損耗。對于每個MOSFET，必須保證它們的電氣特性和驅(qū)動條件相同。

MOSFET并聯(lián)型PFC

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