推荐|单级PFC和两级PFC有什么区别？

本文主要讲了有关PFC的内容包括：什么是PFC、被动式PFC、主动式PFC、PFC电路基本结构和工作原理以及单级PFC与两级PFC区别。

一、什么是PFC

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。 基本上功率因数可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因数值越大，代表其电力利用率越高。

功率因数是用来衡量用电设备用电效率的参数，低功率因数代表低电力效能。为了提高用电设备功率因数的技术就称为功率因数校正。

二、被动式PFC

被动式PFC一般分“电感补偿式”和“填谷电路式（Valley Fill Circuit）”

“电感补偿式”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，“电感补偿式”包括静音式和非静音式。“电感补偿式”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。

三、主动式PFC

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。

四、PFC电路基本结构和工作原理

图1为未加入PFC电路的整流电路的原理方框图，图2为工作波形。通过分析，我们可以看出．未加入PFC电路的整流电路稳定工作以后，只有在市电电压的正负峰值附近二极管才导通，产生脉冲电流。造成离线电源功率因数降低的原因在于电流的导通角太小，在半个周期内远远小于180°，提高功率因数就要设法使电流的波形在整个周期内追踪电压的波形。

既然造成导通角太小的原因是整流器后面接人的大容量滤波电容，有源PFC电路基本思想就是在整流器和大容量滤波电容之间加入一级初级调整，把两者进行隔离，此PFC初级调整变换器输出一个基本稳定的DC电压，同时其输入电流能按照和市电一样的正弦规律变化。

图3所示电路为加入PFC电路的基本结构和工作原理。通过比较，我们可以比较明确看出PFC电路在电源电路结构中的位置和作用。尽管PFC电路的具体形式繁多，不尽相同，工作模式也不一样（CCM电流连续型、DCM不连续型、CRM临界型），但基本的结构大同小异，大部分都是采用升压的boost拓扑结构，因为这种电路形式优点比较多。这也是一种典型的升压开关电路，基本的思想就是前面说的把整流电路和大滤波电容分割，通过控制PFC开关管的导通使输入电流能跟踪输入电压的变化。工作原理并不复杂，彻底搞清楚这个基本电路的原理，就能触类旁通，给独立分析电路打下基础。在这个电路中，PFC电感L在MOS开关管0导通时储存能量，在开关管截止时，电感L上感应出右正左负的电压，将导通时储存的能量通过升压二极管Dl对大的滤波电容充电，输出能量，只不过其输入的电压是没有经过滤波的脉动电压。值得注意的是，平板电视大部分PFC电感L上大都并联着一个二极管D2，该二极管D2具有保护作用。

大家知道：PFC电路后面大的储能滤波电容C和PFC电感L是串联的，由于电感L上的电流不能突变，就对大的滤波电容C的浪涌电流起了限制作用。

并联保护分流二极管D2．由于没有电感的限制作用，对滤波电容的冲击反而会更大，但它可以保护升压二圾管，特别是PFC开关管。D1是快速恢复二极管（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），承受浪涌电流的能力较弱。减小反向恢复电流和提高浪涌电压承载力是相互牵制的，而D2所采用的是普通的整流二极管，承受浪涌电流的能力很强，如1N5407的额定电流3A．浪涌电流可达200A。

该保护二极管D2表面上降低的是对PFC电感和升压二极管的浪涌冲击，但实际上还有一个重要的作用：保护PFC开关管。

在开机的瞬间，滤波电容的电压尚未建立，由于要对大电容充电．通过PFC电感的电流相对比较大。如果在电源开关接通的瞬间是在正弦波的最大值时，对电容充电的过程中PFC电感L有可能会出现磁饱和的情况，此时PFC电路工作就麻烦了，在磁饱和的情况下，流过PFC开关管的电流就会失去限制，烧坏开关管。为防止悲剧发生，一种方法是对PFC电路工作的工作时序加以控制，即当对大电容的充电完成以后，再启动PFC电路：另一种比较简单的办法就是在PFC线圈到升压二极管上并联一只二极管旁路。启动的瞬间，给大电容的充电提供另一个支路，防止大电流流过PFC线圈造成饱和，过流损坏开关管，保护开关管，同时该保护二极管D2也分流了升压二极管D1上的电流，保护了升压二极管。另外，D2的加入使得对大电容充电过程加快．其上的电压及时建立，也能使PFC电路的电压反馈环路及时工作，减小开机时PFC开关管的导通时间．使PFC电路尽快正常工作。‘所以，综上所述，以上电路中二极管D2的作用是在开机瞬间或负载短路、PFC输出电压低于输入电压的非正常状况下给电容提供充电路径，防止PFC电感磁饱和对PFCMOS管造成的危险，同时也减轻了PFC电感和升压二极管的负担，起到保护作用。在开机正常工作以后，由于D2右面为B+PFC输出电压，电压比左面高，D2呈反偏截止状态，对电路的工作没有影响，D2可选用可承受较大浪涌电流的普通大电流的整流二极管。在有些电源中，PFC后面的电容容量不大，也有的没有接入保护二极管D2，但如果PFC后面是使用大容量的滤波电容，此二极管是不能减少的，对电路的安全性有着重要的意义。

五、单级PFC与两级PFC区别

1.两级型的PFC电路

两级PFC 电路由一个功率因数调节器（PFC） 和DCIDC 变换器串联而成，如图2-4所示。前者主要负责正弦化输入电流，使电压电流同相位，后者主要负责调整输出电压，通过DCDC 变化得到可以利用的电压。

这种类型拓扑的优点有： 可以在得到高输入功率因数与低输入电流谐波的同时，得到较好的输出电压特性，例如较小的输出电压纹波，较快的输出电压调整率等： 可以在实现输入、输出绝缘的同时实现较长的掉电维持时间; 电路中的能量存储电容的电压可控。但是电路较为复杂，由于能量要被处理和传递两次，因此整机效率较低，需要两套控制电路，成本较高。它的应用场合主要有： 后级电路对PFC 电路的输出特性要求较高时，或整个产品对输入电流质量要求较高的场合“”。一般研究中，只对前一级进行研究，使电路的功率因数尽可能接近1，减少谐波对电网的污染，后一级只是对前一级的输出电压做一变化，得到人们日常生活中所要用的电压。

在本文中，主要研究两级功率因数校正电路的功率因数校正级，使功率因数达到要求的同时，稳定输出电压，以便后面DCDC变化。

2.单级型的PFC电路

同两级PFC 电路相比，单级型的PFC 电路将PFC级和DC/DC级组合在一起，只有一个开关和一套控制电路，同时实现对输入电流的整形和对输出电压的快速调节530。如图2-5 所示，控制电路的作用是实现对输出电压的调节，得到稳定的直流输出电压，要求电路必须具有固有的PFC 功能，即在不对PFC进行控制的情况下，输入电流能够完全或部分跟随输入电压的正弦变化。众所周知，在固定占空比时，工作在DCM 模式的BOOST，BUCK-BOOST，SEPIC，CUK，ZETA 等变换器具有固有的PFC 功能。为了简化电路，大部分单级PFC变换器都是采用BOOST或BUCK-BOOST变换器，工作在DCM模式，实现输入电流整形（Input-Current-Shaping ICS）。

大多数单级PFC拓扑可以直接从两级PFC拓扑经过简单的组合得倒，在所有PFC变换器中，瞬时输入功率在一个交流周期都是脉动的。在单级功率因数校正电路中，能量只被处理与传递一次，只用到一个开关管，输入电流的正弦化与输出电压调整在一个电路中完成。这种类型拓扑的优点有： 电路结构比较简单，成本低。但该电路存在一个致命的缺点，在高输入电压和轻载时，由于输入能量和输出能量瞬间不平衡而导致储能电容CP电压应力过高，因此为了满足输出保持时间的要求，需要大容量和高耐压的电解电容［21。主要应用于输出功率较小的场合，或者后级对PFC 电路的输出特性要求不高的场合。