PFC是什么？（下-3）
前面發(fā)表的幾個章節(jié)已經(jīng)詳盡的介紹了“PFC是什么？”如果大家都把前面的章節(jié)看完了，理解其中的含義，就會明白“PFC”這三個字符及其中文的含義：“功率因數(shù)校正”和我們現(xiàn)代廣泛應(yīng)用的開關(guān)電源（指：二極管整流后直接濾波類型的）根本扯不上關(guān)系（雖然采用濾波電容后引起高次諧波的產(chǎn)生也是一種能量的損耗。但是諧波和功率因數(shù)完全是兩個不同的概念，有人認(rèn)為諧波大就是功率因數(shù)低，功率因數(shù)低就是因為諧波大，實際上這是兩個完全不同的電參數(shù)，分別用來描述不同的電路特性。諧波大不等同于功率因數(shù)低，功率因數(shù)低諧波也不一定大）。
真是要討論現(xiàn)代的開關(guān)電源的功率因數(shù)問題，那就是：現(xiàn)代開關(guān)電源（整流直接濾波）功率因數(shù)已經(jīng)接近于“1”（視在功率和有功功率比值）?，F(xiàn)代開關(guān)電源沒有“無功功率”問題。能量的利用幾乎是百分之百。而真正要解決的倒是；因開關(guān)電源電流波形的畸變而導(dǎo)致的電磁干擾（EMI）問題。前面也已經(jīng)提到過了，目前應(yīng)用的開關(guān)電源（整流后直接濾波）造成的電磁干擾危害已經(jīng)到了不解決不行的地步了。
一、我們下面就來介紹解決的方法：
前面已經(jīng)詳述了產(chǎn)生電磁干擾（EMI）的主要原因；是因為二極管整流濾波電路產(chǎn)生的嚴(yán)重畸變于電壓波形的脈沖形電流的高次諧波引起的，那么要限制這種高次諧波的產(chǎn)生；就必須對脈沖形電流的產(chǎn)生加以限制。唯一的方法就是使二極管整流電路的電流波形仍然是正弦波形，即輸入整流二極管的電壓波形和流過此二極管的電流波形相同都是正弦波（這種正弦波是基波也稱為：簡諧波；是純凈的、沒有高次諧波的），就沒有電磁干擾出現(xiàn)了，一切都好了。
前面已經(jīng)詳盡的介紹了，電流波形的嚴(yán)重畸變是因為整流二極管的輸出部分采用濾波電容濾波造成的。下面介紹一下，實際的正弦波半波和全波整流電路的不采用濾波電容和采用濾波電容時電壓波形和電流波形之間的關(guān)系：
圖5.1
1、半波整流電路：
（1）沒有濾波電容的半波整流電路，圖5.1所示：
此半波整流電路的二極管整流輸出端并沒有設(shè)置濾波電容；僅有負(fù)載RL。
在輸入正弦波交流電壓情況下輸入電流及輸入電壓的波形關(guān)系；如圖5.1中左邊波形所示；左邊圖中；正弦波實線為輸入的正弦波交流電壓波形，上部的陰影所示為流過電路的電流波形，右邊波形圖的陰影所示為；流過二極管的電流波形?？梢钥闯?；在不設(shè)置濾波電容的整流電路中，輸入電路及二極管流過的電流均為正弦波的半個周期（1800）。這半個周期波形的幅度波動；是一個按正弦規(guī)律變化的曲線，是一個基波的簡諧波曲線，不存在高次諧波及電磁干擾問題。
（2）采用了濾波電容的半波整流電路，圖5.2所示：
此半波整流電路的整流輸出端增加了一個濾波電容C，濾波電容C和負(fù)載RL并聯(lián)。
圖5.2中；由于前面已經(jīng)介紹的原因，由于濾波電容接于整流二極管的輸出端，二極管導(dǎo)通首先對電容充電，電容器上的電壓又限制了二極管的導(dǎo)通，二極管的導(dǎo)通角小小于正弦波半個周期的1800，所示整流電路輸入端的電流波形，就成為類似強脈沖狀態(tài)的電流波形。
圖5.2
圖5.2所示左邊圖中；正弦波實線為輸入的正弦波交流電壓波形，上部的陰影所示為流過電路中的電流波形，右邊波形圖的陰影所示為；流過二極管的電流波形?？梢悦黠@看出；增加濾波電容后，輸入電路流過的電流波形為脈沖狀態(tài)，此電流波形相比于正弦波電壓波形已經(jīng)產(chǎn)生了嚴(yán)重的畸變，這樣的電流波形不僅產(chǎn)生嚴(yán)重的高次諧波出現(xiàn)電磁干擾（EMI）問題，還因為在電流脈沖出現(xiàn)時間；供電電路的電阻份量產(chǎn)生的壓降，導(dǎo)致用電終端還產(chǎn)生了正弦波電壓的畸變。
2、全波整流電流：
（1）沒有濾波電容的全波整流電路，圖5.3所示：
由于現(xiàn)在的開關(guān)電源均采用了四個二極管的全波電橋整流電流，那么圖5.3所示為；沒有濾波電容的全波整流電路電壓、電流 波形圖，圖5.3的左邊波形圖所示；是輸入電壓波形和輸入電流波形，實線所示是輸入正弦波電壓波形，陰影所示是輸入電流波形?？梢悦黠@看出，輸入電路的電流波形也是和電壓波形相同（相位、波形均相同）的電流波形，同樣這樣的波形也不存在高次諧波也沒有電磁干擾問題。
圖5.3
（2）有濾波電容的全波整流電路，圖5.4所示：
圖5.4所示左邊圖中；正弦波實線為輸入的正弦波交流電壓波形，坐標(biāo)零軸以上部份及零軸以下部份的陰影所示為流過電路中的電流波形。右邊波形圖的陰影所示為；流過二極管的電流波形?？梢悦黠@看出；增加濾波電容后，輸入電路流過的電流波形為脈沖狀態(tài)，其波形比正弦波電壓波形已經(jīng)產(chǎn)生了嚴(yán)重的畸變，同樣這樣的電流波形不僅產(chǎn)生嚴(yán)重的高次諧波出現(xiàn)電磁干擾（EMI）問題，還因為供電電路的電阻份量的壓降，導(dǎo)致用電終端還產(chǎn)生了正弦波電壓的畸變，圖5.5為正常無畸變正弦波電壓波形，圖5.6為用電終端產(chǎn)生畸變的正弦波電壓波形。
二、去掉產(chǎn)生電磁干擾（EMI）和電磁兼容（EMC）問題的元兇 ━━ 濾波電容
通過上面對全波、半波整流電路的分析；分別在不設(shè)置濾波電容和設(shè)置濾波電容兩種情況下；可以看出，開關(guān)電源的正弦波整流濾波電路中；要使其輸入電流和所加的電壓波形相同；消除電磁干擾（EMI）、解決電磁兼容（EMC）問題的唯一辦法就是，二極管整流后不設(shè)置濾波電容，在正弦波整流電路中；只要把整流管后用于濾波的電容器取消，一切的危害；電磁干擾（EMI）、電磁兼容（EMC）、因壓降引起的輸入正弦波電壓波形的畸變問題就全部解決了。
圖5.4
現(xiàn)在的問題是；濾波電容是開關(guān)電源整流電路的重要的一部分，不用濾波電容開關(guān)電源能工作嗎？顯然是不能的。例如我們前期維修的大量的CRT電視機，均有濾波電容，并且是容量巨大的（大于200微法）濾波電容，不要說去掉濾波電容，就是有的濾波電容容量略有下降；電視機就無法正常工作了。
圖5.5 圖5.6
為什么前期的開關(guān)電源取消濾波電容就無法工作了？
我們首先分析一下：正弦波整流電路在不用濾波電容和采用濾波電容的兩種情況下輸出電壓有什么不同。
1、正弦波整流電路輸出直流電壓的波形
（1）整流輸出不采用濾波電容的輸出電壓波形：
在不采用濾波電容的輸出電路中，如圖5.7所示；輸出電路連接負(fù)載RL，一般負(fù)載均為阻性負(fù)載，所以負(fù)載兩端的電壓波形正比于流過二極管的電流波形（歐姆定律）。前面已經(jīng)清楚介紹；不采用濾波電容的整流電路；流過二極管的電流為1800的半個正弦波周期，所以；這種正弦波整流電路輸出電壓的波形也是半個正弦波周期的波形，由于二極管是“正”整流極性連接，所以輸出的電壓波形是按照正弦曲線變化的由0V逐步上升到311V正弦波最大值（以輸入220V正弦波交流電為例），再由最大值311V逐步下降為0V的半個周期的正弦曲線的電壓波形。
圖5.7
這個電壓是直流電壓，是一個電壓幅度在坐標(biāo)零軸以上脈動（正弦規(guī)律脈動）的直流電壓，圖5.7右邊紅色饅頭形曲線。電壓幅度的變化規(guī)律是：由0V→311V→0V→311V→0V變化（幅度波動的頻率是2×50赫茲=100赫茲）。由于形狀類似于“饅頭”形態(tài)，我們以后把這個電壓波形稱為：“饅頭波”（每秒出現(xiàn)100個“饅頭”）。
（2）整流輸出采用濾波電容的輸出電壓波形：
在采用濾波電容的輸出電路中，如圖5.8所示；輸出電路連接負(fù)載RL，并且負(fù)載兩端并聯(lián)一個濾波電容C。
圖5.8
由于整流電流的輸入端連接了濾波電容C，并且濾波電容C和負(fù)載并聯(lián)，在這里濾波電容C起到了“蓄水池”的作用。由于一般都選用電容量巨大的電解電容器（容量一般大于200微法以上），所以在輸入220V交流正弦波電壓達(dá)到311V的峰點時；對電容器進(jìn)行最大限度的充電，使濾波電容C兩端的電壓達(dá)到 311V，由于存儲的能量充足，在整流二極管不導(dǎo)通時間，負(fù)載RL通過濾波電容存儲的電荷能量（蓄水池作用）繼續(xù)對其供電，此時電容兩端的 311V電壓會由于放電而產(chǎn)生電壓的下降，但是由于濾波電容的容量巨大、存儲的能量充足，在下一個輸入正弦波峰點到來對濾波電容C進(jìn)行再充電之前，電壓的跌落、下降不會低于 300V（如果濾波電容C容量不足；電壓可能跌落幅度很大，一致負(fù)載電路無法正常工作），那么；有濾波電容的整流電路，輸出的直流電壓的波形是一個幅度值在 300V，電壓幅度略有波動的整流電壓，圖5.8右邊波形圖中的紅色波動曲線所示。
（3）關(guān)于“紋波電壓”和“紋波系數(shù)”（為什么電視機電源濾波電容容量不一樣）
在圖5.8中所示；右邊波形圖的紅色波動曲線，是由300V到311V波動的范圍（11V的電壓差）變化，這個變化的電位差，稱為“波紋電壓”。這個11V的波紋電壓和整個電壓的幅度比稱為“波紋系數(shù)”。在整流電路中；波紋電壓越小越好，濾波電容C容量越大波紋電壓就越小。
當(dāng)濾波電容C容量不變，負(fù)載RL的電流越大；波紋電壓就越大，可見；功率大的開關(guān)電源，為了維持一定的波紋系數(shù)；就要求濾波電容的容量也要很大，同樣功率小的開關(guān)電源，只要容量較小的濾波電容；就可以保證一定的波紋系數(shù)。這就是不同的電視機濾波電容的容量有大有小的原因。
（4）去掉濾波電容C；負(fù)載電路還能正常工作嗎？
圖5.9
從圖5.9所示；可以看出在整流電路有濾波電容濾波的開關(guān)電源中，開關(guān)管的工作供電基本是一個幅度較為穩(wěn)定，略有波動的 B電壓，在開關(guān)管作高頻開關(guān)工作的任何一個周期內(nèi)， B基本都能維持在一個較高的幅度范圍內(nèi)，顯然這個開關(guān)電源可以正常工作。
圖5.10
圖5.10所示；在在整流電路去掉濾波電容濾波的開關(guān)電源中，在開關(guān)電源做高頻開關(guān)工作時，開關(guān)管工作的某些周期，其供電的“饅頭波”幅度有可能就在饅頭波正弦曲線的低邊； B電壓極低，甚至在0V電壓點，顯然這個開關(guān)電源是不可以正常工作。這也是前期的CRT電視機開關(guān)電源的大濾波電容容量不足、干枯而開關(guān)電源電壓輸出極低、甚至無輸出的原因。
圖5.11
由于開關(guān)電源的開關(guān)頻率一般在40KHz,而饅頭波的頻率是100Hz,所以，一個饅頭波 B供電周期，有幾百個開關(guān)管的開關(guān)周期，所以在沒有濾波電容的開關(guān)電源中，開關(guān)管只有極少的幾個開關(guān)周期能夠獲得足夠的 B電壓工作，圖5.11波形所示，上面是作為 B的饅頭波，下面是開關(guān)管的激勵信號。
以上的討論都說明；開關(guān)電源的整流電路去掉濾波電容是不行的。
三、濾波電容必須保留；在二極管整流電路和濾波電容之間增加一個隔離電路；
為了保證后續(xù)電路能工作在一個比較平穩(wěn)的 B供電環(huán)境下，濾波電容的存在還是必要的，如圖5.12所示。但是濾波電容的存在由會造成整流二極管電流波形的畸變，從而產(chǎn)生電磁干擾和電磁兼容的問題。
圖5.12
現(xiàn)在就是要設(shè)法：即保留濾波電容的存在，以便向后面的負(fù)載電路提供一個波動極小的 B電源，又要設(shè)法，使整流二極管把正弦波交流電整流后又不直接對濾波電容充電，仍然保持二極管的電流波形為正弦波的整半個周期的1800。
解決的方法就是，在整流二極管和濾波電容之間斷開，插入一個“隔離電路”。如圖5.13～圖5.17所示。
圖5.13
圖5.13所示；在整流二極管和濾波電容之間切斷。
圖5.14
圖5.14所示；分離整流二極管和濾波電容及后續(xù)電路。
圖5.15
圖5.15所示；在整流二極管和濾波電容之間插入一個隔離電路。這個隔離電路實際上是一個斬波器電路。
圖5.16
圖5.16所示；這個隔離電路（斬波器電路）實際上是一個我們熟習(xí)的并聯(lián)型的開關(guān)電源（升壓型的開關(guān)電源）。
圖5.17
圖5.17所示；這個由L、Q、D組成的并聯(lián)型的開關(guān)電源，采用饅頭波作為 B供電，開關(guān)Q高頻工作，把饅頭波電壓轉(zhuǎn)換為高頻開關(guān)脈沖（100K），經(jīng)過D整流后，再由C濾波供后面原來的開關(guān)電源作為 B使用。
圖5.17就是我們現(xiàn)在平板電視開關(guān)電源的電磁干擾（EMI)、電磁兼容（EMC）校正電路，也就是含有PFC功能的 新型開關(guān)電源的基本原理。
優(yōu)點：1、正弦波整流后不對濾波電容充電，橋式整流電路的輸入電壓、電流都是正弦波（電壓、電流的波形、相位相同）不存在電磁干擾及電磁兼容問題。
2、由于L、Q、D組成的并聯(lián)型的開關(guān)電源，具有穩(wěn)壓功能，后續(xù)電路可以工作的更穩(wěn)定。
3、由于頻率較低的“饅頭波”經(jīng)過L、Q、D開關(guān)電源轉(zhuǎn)換成了頻率極高的高頻脈沖，經(jīng)過D整流后，濾波電容C的濾波效果更好，波紋電壓可以完全消除（Xc=1/2πfc）。
后續(xù)：下面分析對這個插入的開關(guān)電源的要求、特性、實際電路分析；
