【電子精選】分享-功率因數(shù)校正(Power Factor Correction)-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2022-03-03
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(dāng)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(duì)于一個(gè)整流電路，在輸出端都會(huì)并聯(lián)一個(gè)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(huì)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(duì)于整流電路，只有當(dāng)AC電壓大于濾波電容兩端電壓Vc時(shí)，才會(huì)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(huì)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(bǔ)充>關(guān)于PF=cosφ的推導(dǎo)：
1) 阻性負(fù)載
對(duì)于純電阻負(fù)載，電壓與電流間不存在相位差，所以PF=1。
阻性負(fù)載
2) 容性/感性負(fù)載
對(duì)于容性或感性負(fù)載，因?yàn)殡妷号c電流間存在相位差，所以PF<1。
容性負(fù)載
被動(dòng)式/無源式(Passive PFC)
使用了被動(dòng)式PFC的全波二倍壓整流電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖所示。在被動(dòng)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(dòng)式PFC相比，部分開關(guān)式PFC增加了一個(gè)開關(guān)器件，通過延長電源電流輸出時(shí)間來提高功率因數(shù)。當(dāng)開關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)，來自電源的電能會(huì)儲(chǔ)存在電感中。因此，部分開關(guān)式PFC還具有boost的功能。
主動(dòng)式/有源式(Active PFC)
最基礎(chǔ)的主動(dòng)式PFC(利用了boost電路)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下。紅色箭頭代表了MOSFET導(dǎo)通時(shí)的電流路徑，綠色箭頭則是MOSFET關(guān)斷時(shí)的電流路徑。根據(jù)電流的導(dǎo)通模式，主動(dòng)式PFC可以分成3種模式：CCM，CRM(BCM)，DCM。
基于boost電路的主動(dòng)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(huì)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(huì)工作在一個(gè)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(diǎn)是能夠降低電感電流的紋波。
其缺點(diǎn)是，當(dāng)MOSFET開通時(shí)，濾波電容的電壓會(huì)反向加在二極管上，由于正向?qū)〞r(shí)的少數(shù)載流子們依舊聚集在PN結(jié)兩側(cè)，在這個(gè)反向電壓的作用下少數(shù)載流子會(huì)發(fā)生漂移運(yùn)動(dòng)，二極管會(huì)形成較大的反向電流。
這個(gè)反向電流再加上電感電流會(huì)一起流過MOSFET，因此MOSFET會(huì)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?yàn)樾ぬ鼗O管的反向恢復(fù)時(shí)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(huì)在電感電流降到0時(shí)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(dāng)輸出電壓過高時(shí)，會(huì)減小MOSFET脈沖寬度；當(dāng)輸出電壓過低時(shí)，會(huì)增加MOSFET脈沖寬度。所以諧振頻率也不會(huì)固定，因?yàn)樾枰鶕?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(gè)周期內(nèi)都存在電流為0的時(shí)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(huì)受到二極管反向恢復(fù)時(shí)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
MOSFET并聯(lián)型PFC(PFC with parallel MOSFETs)
使用多個(gè)MOSFET并聯(lián)能夠支持大電源輸入，因?yàn)殡娏鲿?huì)被分流，也同時(shí)減小了開關(guān)損耗。對(duì)于每個(gè)MOSFET，必須保證它們的電氣特性和驅(qū)動(dòng)條件相同。
MOSFET并聯(lián)型PFC
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