PFC电路二极管应用技术与选型
作者：海飞乐技术 时间：2017-03-15 15:03
PFC被称为“功率因数校正”，它是有效功率除以总耗电量(视在功率)的比值。PFC是现代开关电源的一种必备设计，它在液晶电视或者等离子电视上也是不可缺少的一个设计，可以说应用是越来越广泛的。PFC有两种，一种是无源PFC（也称被动式PFC），一种是有源PFC（也称主动式PFC）。无源PFC一般采用电感补偿方法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，但无源PFC的功率因数不是很高，只能达到0.7~0.8；有源PFC由电感电容及电子元器件组成，体积小，可以达到很高的功率因数，但成本要高出无源PFC一些。
无源PFC电路结构与原理
图1 无源PFC电路结构
不使用晶体管等有源器件组成的校正电路。一般由二极管、电阻、电容和电感等无源器件组成，向目前国内的电视机生产厂对过去设计的功率较大的电视机，在整流桥堆和滤波电容之间加一只电感(适当选取电感量)，利用电感上电流不能突变的特性来平滑电容充电强脉冲的波动，改善供电线路电流波形的畸变，并且在电感上电压超前电流的特性也补偿滤波电容电流超前电压的特性，使功率因数、电磁兼容和电磁干扰得以改善。
此电路虽然简单，可以在前期设计的无PFC功能的设备上，简单的增加一个合适的电感(适当的选取L和C的值)，从而达到具有PFC的作用，但是这种简单的、低成本的无源PFC输出纹波较大，滤波电容两端的直流电压也较低，电流畸变的校正及功率因数补偿的能力都很差，而且L的绕制及铁芯的质量控制不好，会对图像及伴音产生严重的干扰，只能是对于前期无PFC设备使之能进入市场的临时措施。
有源PFC电路的结构与原理
图2 有源PFC电路结构图
有源PFC则是有很好的效果，基本上可以完全的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，它可以基本上完全解决了功率因数、电磁兼容、电磁干扰的问题，但是电路非常的复杂，其基本思路是在220V整流桥堆后去掉滤波电容(以消除因电容的充电造成的电流波形畸变及相位的变化)，去掉滤波电容后由一个“斩波”电路把脉动的直流变成高频(约100K)交流再经过整流滤波后，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。
有源PFC的基本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的斩波电路图8(附加开关电源)，对于供电线路来说该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(我们以后称它为：“PFC开关电源”)和稳压开关电源(我们以后称它为：“PWM开关电源”)组成的。
PFC电路应用技术
整流二极管整流以后不加滤波电容器，把未经滤波的脉动正半周电压作为斩波器的供电源，由于斩波器的一连串的做“开关”工作脉动的正电压被“斩”成图9的电流波形，其波形的特点是：1、电流波形是断续的，其包络线和电压波形相同，并且包络线和电压波形相位同相。2、由于斩波的作用，半波脉动的直流电变成高频(由斩波频率决定，约100KHz)“交流”电，该高频“交流”电要再次经过整流才能被后级PWM开关稳压电源使用。3、从外供电总的看该用电系统做到了交流电压和交流电流同相并且电压波形和电流波形均符合正弦波形，既解决了功率因素补偿问题，也解决电磁兼容(EMC)和电磁干扰(EMI)问题。
该高频“交流”电在经过整流二极管整流并经过滤波变成直流电压(电源)向后级的PWM开关电源供电。该直流电压在某些资料上把它称为：B+PFC(TPW-4211即是如此)，在斩波器输出的B+PFC电压一般高于原220交流整流滤波后的+300V，其原因是选用高电压，其电感的线径小、线路压降小、滤波电容容量小，且滤波效果好，对后级PWM开关管要求低等等诸多好处。
1、 连续导通模式(CCM)：开关管的工作频率一定，而导通的占空比(系数)随被斩波电压的幅度变化而变化,如图3，
图中T1 和 T2 的位置是：T1在被斩波电压(半个周期)的低电压区，T2在被斩波电压高电压区，T1(时间)=T2(时间)从图中可以看到所有的开关周期时间都相等，这说明在被斩波电压的任何幅度时，斩波管的工作频率不变，从图10中可以看出;在高电压区和低电压区每个斩波周期内的占空比不同(T1和T2的时间相同，而上升脉冲的宽度不同)，被斩波电压为零时(无电压)，斩波频率仍然不变，所以称为连续导通模式(CCM)该种模式一般应用在250W～2000W的设备上。
图3 导通的占空比(系数)随被斩波电压的幅度变化图
2、 不连续导通模式(DCM)：斩波开关管的工作频率随被斩波电压的大小变化(每一个开关周期内“开”“关”时间相等。如图11：T1和T2时间不同，也反映随着电压幅度的变化其斩波频率也相应变化。被斩波电压为“零”开关停止(振荡停止)，所以称为不连续导通模式(DCM)，即有输入电压斩波管工作，无输入电压斩波管不工作。他一般应用在250W以下的小功率设备上，例如海信TLM-3277液晶电视接收机开关电源的PFC部分即工作在DCM模式。
3、临界导通模式(CRM)或过渡模式(TCM)：
工作介于CCM和DCM之间，工作更接近DCM模式。在上一个导通周期结束后，下一个导通周期之前，电感电流将衰减为零，而且频率随着线路电压和负载的变化而变化。
优点：廉价芯片、便于设计，没有开关的导通损耗，升压二极管的选择并非决定性的;
缺点：由于频率变化，存在潜在的EMI问题，需要一个设计精确的输入滤波器。
PFC电路中二极管选型
在功率因数校正（PFC）电路中二极管是关键元件，从PFC结构图和原理中我们可以看出，二极管在PFC电路中起到的作用有续流和整流两方面的。
续流二极管
由于开关管是在电感电流不为零的时候关断的，需要承受更大的应力，要求二极管有极低甚至为零的反向恢复电流， 在每一个开关周期，二极管的恢复电流流经MOS晶体管，这导致开关中高的“开关通导”功率损耗。对于这种PFC应用，需要更快的二极管，而PFC电路电压相对较高，不适合肖特基二极管，因此我们只能选择快恢复二极管或者超快恢复二极管，这里需要根据实际的设计来选择。
整流二极管
PFC电路后级PWM开关管要求较低，可以根据需求使用普通整流二极管、快恢复二极管、肖特基等。
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