开关电源系统的非理想性：PF和PFC讲义
开关电源PFC讲解
一、什么是PFC？PFC是电脑电源中的一个非常重要的参数，全称是电脑功率因素，简称为PFC，等于“视在功率乘以功率因素”，即：功率因素=实际功率/视在功率功率因素：功率因数表征着电脑电源输出有功功率的能力。
功率是能量的传输率的度量，在直流电路中它是电压V和电流A和乘积。
在交流系统里则要复杂些：即有部分交流电流在负载里循环不传输电能，它称为电抗电流或谐波电流，它使视在功率( 电压Volt乘电流Amps)大于实际功率。
视在功率和实际功率的不等引出了功率因素，功率因素等于实际功率与视在功率的比值。
视在功率：即交流电压和交流电流的乘积，用公式表示为：S=UI。
上式中，S是额定输出功率，单位是VA（伏安），U是额定输出电压，单位是V，如220V、380V等；I是额定输出电流，单位是A。
视在功率包括两部分：有功功率（P）和无功功率（Q），有功功率是指直接做功的部分。
比如使灯发亮，使电机转动，使电子电路工作等。
因为这个功率做功后都变成了热量，可以直接被人们感觉到，所以有些人就产生一个错觉，即把有功功率当成了视在功率，孰不知有功功率只是视在功率的一部分，用式表示：P=SCOS0θ=UICOSθ ＝UI•F上式中，P是有功功率，单位是W（瓦），F=COSθ 被称为功率因数，而θ是在非线性负载时电压电流不同相时的相位差。
无功功率是储藏在电路中但不直接做功的那部分功率，用式表示：Q=Ssinθ=UIsinθ。
上式中，Q为无功功率，单位是var（乏）。
对于计算机和其它一切靠直流电压工作的电子电路，离开无功功率是根本无法工作的。
一般用户都认为计算机之类的设备只需要有功功率，而不需要无功功率。
既然无功功率不做功，要它何用！于是他们当然就认为功率因数为１的电源最好。
因为它能给出最大输出功率。
然而，实际情况并非如此。
假如有一台计算机，当交流市电输入后进行整流，就得到脉动直流电压，若不将脉动电压进行任何工，就直接提供给计算机电路，毫无疑问，电路根本无法正常工作。
现代开关电源为什么要采用PFC技术
现代开关电源为什么要采用PFC技术开关电源效率高、适应电压范围宽、功率大已经被电器设备广泛的采用，但是它的负面作用随着大量的应用也逐步显现，这就是在开关电源电路中一般是采用整流后直接滤波的方式向后级电路提供直流供电，这种整流后直接滤波的方式造成的供电线路中电流波形的严重畸变而产生的危害已经到了不解决不行的地步了。
为什么会有这么严重的危害？我们下面用二极管半波整流电路为例加以解释；图1是半波二极管整流电路的四种不同的电路（由上至下）；图1-1是二极管整流后只有一只负载电阻R；图1-2是二极管整流后只有一只滤波电容C；图1-3是二极管整流后只有一只负载电阻R和滤波电容C；图1-4是二极管整流后只有两只负载电阻R和滤波电容C。
图1-1：当交流市电加到整流二极管上时；交流电的正半周二极管导通经过负载电阻R形成电流；交流市电的每一个周期中（0°～360°）只有正半周（0°～180°）到来时整流二极管正偏导通，也就是在正弦波整流电路中；二极管的负载是阻性时，每一个正弦波的正半周二极管均导通；二极管的导通角为：180°，（图中阴影部分是电流波形）可以看出阻性负载的整流电路，二极管流过的电流其波形、相位和所加的市电电压波形、相位是相同的。
图1-2：当交流市电加到整流二极管上时；在第一个周期的0°～360°中由0°开始二极管开始导通施加于二极管上的电压瞬时值逐渐增大，随着导通角的增加，二极管的导通电流也逐渐加大，由于二极管的负载是一只滤波电容C，那么二极管流过电流对电容C充电，随着输入正弦波交流电角度的不断增加，输入电压的瞬时值不断增加，到达90°时，达到最大值（峰值：311V），并且电容C上的电压也达到最大值（311V），接着输入电压的瞬时值由正半周的90°～180°时，其瞬时值逐步下降，由于电容C在峰值时充电电压达到311V，此电压无法释放，始终维持在311V，此电压同时也加在整流二极管的输出端，这样在二极管输入端的电压不管在其它任何时候，（由0°～360°～720°......），二极管都不再导通。
01173_PFC课件教学
定期举办学生作品展 示、竞赛等活动，激 发学生的学习动力和 成就感。
2024/1/26
鼓励学生提出问题和 意见，及时调整课件 内容和教学方法。
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教学效果评估及反馈
通过课堂表现、作业完成情况等多维度评估学生的学习效果。
利用在线测试、问卷调查等工具收集学生的反馈意见，及时改进课件和教学方法。
2024/1/26
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PFC基本原理与结构
基本原理
PFC通过控制开关管的导通和关断，使得输入电流波形跟随输入电压波形变化 ，从而实现功率因数的提高。
结构组成
PFC电路主要由整流桥、滤波电容、开关管、控制芯片等组成。其中，控制芯 片是PFC电路的核心，负责采样输入电压和电流信号，并输出相应的控制信号 。
2024/1/26
集成多媒体元素
响应式布局设计
将音频、视频等多媒体元素集成到课件中 ，提供更丰富的学习体验。
采用响应式布局设计，使课件在不同设备 上都能呈现良好的显示效果。
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05 PFC课件制作案 例分析
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优秀PFC课件案例展示
案例一
《化学反应工程》PFC课件，该 课件通过丰富的动画、视频和实 验演示，生动形象地展示了化学
视频素材
获取与教学内容相关的视频资 源，如实验操作、案例展示等
。
其他素材
根据需要收集表格、图表、动 画等素材，丰富课件内容。
2024/1/26
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动画制作与效果呈现
动画效果选择
根据教学内容选择合适的动画 效果，如平移、旋转、缩放等
。
2024/1/26
动画时机设置
合理安排动画的出现时机和持 续时间，避免干扰学生学习。
PFC原理与种类特点课件
圖6.電流峰控制線路圖
圖7.電感電流的波形圖
• 圖中開關管Tr的電流Is被檢測,所得信號IsRi送入比較器.電流基准值由乘法器輸出Z
供給,Z=XY.乘法器有兩個輸入,一個輸入X是輸出電壓Vo/H與基准電壓Vref之間的
誤差放大信號,另一個輸入Y為電壓Vdc檢測值Vdc/K,Vdc為輸入正弦電壓Vi的全波
圖2.
圖3.
• 由於電網輸入整流濾波電路直接接到大電容,使得只有在電網輸入的交流電壓幅值 高於大電容上的充電電壓時,整流二極管才會導通, 而在大部分時間裡整流器都處 於截止狀態,這使電流波形變成了非正弦的窄脈沖,產生大量諧波干擾分量.
•PFC原理与种类特点
諧波的危害與抑制方法
• 諧波的危害
• 一. 產生“二次效應”,即諧波電流流過線路造成諧波電壓降,反過來會使電網電壓(原來是正 弦波)也會產生畸變.
• 180Vac-264Vac主動式PFC 此PFC電感只在高壓下工作,所以對其要求不會太高,且高壓時 電流小,因此選用較小的芯心也可滿足不飽和條件,成本低.
• 90Vac~264Vac主動式PFC 此PFC電感設計全電壓范圍,因此需要其感量大,不易飽和,成本 相對也就高.
•PFC原理与种类特点
計算值與實測值的對比(假設α= 0)
• 由測試數據可知, 當THD ≦ 5%時, PF值可控制在0.99左右.
•PFC原理与种类特点
諧波的產生
• 傳統的開關電源,其輸入電路普遍采用全橋二極管整流,輸出端直接接到大電容 (如圖2).此方法雖然不可控整流器電路簡單可靠,但它們會從電網中吸取高峰值 電流,使輸入端交流電流波形發生畸變. (如圖3)
•PFC原理与种类特点
電源應用PFC情況
PFC基础_V.讲课文档
二．PFC电路概述及其主要工作原理
图2-3显示了带无源PFC的计算机电源的输入电路。注意连接到PFC电感中心抽头的线路电压范围开关。在230V
位置上（开关断开）电感线圈的两半都使用，整流器为全桥。在115V 位置只使用左半电感和整流桥的左半部分，电
路为半波倍压模式。如为230Vac 输入的全波整流器，则在整流器的输出端将产生325Vdc。这个325Vdc 总线当然
正因为谐波有这么多的危害，所以我们必须要对谐波进行抑制，这样，就引出了我们PFC电路的主要作
用——谐波抑制。
第六页，共44页。
一．PFC基础知识
c. 谐波的抑制
为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条：一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这 对各种谐波源都是适用的；另一条是对电力电子装置本身进行改造，使期不产生谐波，且功率因数可控制为1，这当 然只适用于作为主要谐波源的电力电子装置。
半波或全波整流器和后面的储能电容组成，如图1-1。 整流器+滤波电容是一种非线性的元件组合，因此，开 关电源对于电网表现为非线性负载。而当工频电压或电流作用于非线性负载时，就会产生不同于工 频的其它频率的正弦电压或电流，如图1-2。 这些不同于工频频率的正弦电压或电流，用傅立叶级数展开
，就是人们称的电力谐波，如图1-3。
是没有稳压的，随着输入线路电压而上下变动。
尽管它的特点是简单，无源PFC电路仍有一些缺点。首先，巨大的电感限制了它在许多应用中的实用性。其
次，如上所述，为了能在全球范围内使用，需要一个线路电压范围开关。增加该开关会增大因操作者错误（比如开 关位置选择错误）而给电器/系统带来的风险。最后，被动式PFC的能源转换效率不高，容易产生工频震动和噪音等 问题。
PFC原理与种类特点
PFC原理与种类特点PFC，即Power Factor Correction，是一种用于提高电源设备功率因数的技术。
它的原理是通过控制电流和电压之间的相位关系，减少电流谐波成分，降低系统的失真程度，从而提高功率因数。
在传统的电源设备中，通常使用整流器来将交流电转换为直流电。
然而，这种转换会导致电流与电压之间的相位差，使得功率因数较低。
功率因数是指电源输出的有效功率和视在功率之间的比值，是衡量电能利用效率的重要指标。
PFC技术有助于提高功率因数，减少无功功率的损耗，提高电源的效率。
PFC的基本原理是通过加入电容器或电感器来改变电流和电压之间的相位差。
它可以在整流器前或后添加PFC电路，将非线性电流转换为线性电流，减小系统的谐波失真，提高功率因数。
PFC可以分为主动PFC和被动PFC两种类型：1.主动PFC：主动PFC是通过电子器件来控制电流和电压的相位差，以实现功率因数的修正。
主动PFC通常采用传感器来检测电流和电压的波形，并通过控制电压的幅值和相位，使电流和电压之间保持同相位，从而提高功率因数。
主动PFC适用于大功率的设备，如电源、电动机等。
主动PFC有很多种实现方式，其中比较流行的是Boost变换器。
这种变换器可以通过控制开关管的开关频率和占空比来调整电压和电流的相位差，从而实现功率因数的修正。
主动PFC还可以采用其他的拓扑结构，如LLC变换器、电荷泵变换器等。
2.被动PFC：被动PFC是利用电容器或电感器来修正电流和电压的相位差，以提高功率因数。
被动PFC通常没有控制电路，只是通过加入适当的电容器或电感器来改变电流和电压的相位，从而实现功率因数的修正。
被动PFC适用于低功率的设备，如电子设备、小型电源等。
被动PFC的常见实现方式包括沟槽、折流电容器和谐振电感等。
沟槽是一种串联电容器和电感器的结构，通过调整电容器和电感器的数值来修正功率因数。
折流电容器是将电容器与整流电路并联，通过改变电容器的电压波形来修正功率因数。
开关电源系统的非理想性：PF和PFC讲义
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数字电源设计技术交流 2020年7月27日星期一
概要
理解交流供电的特殊性 理解PF和THD ★PPFC原理及实现思路 APFC原理及实现思路
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数字电源设计技术交流 2020年7月27日星期一
功率因数校正(PFC)的基本思路
VSES VZCD
VIN ISES
.
Z
.
VIN ISES
VZCD VSES
Z
退磁点
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数字电源设计技术交流 2020年7月27日星期一
导通时间的问题
仔细观察BCM，可以看到导通时间貌似是恒定的，这个不是故意画得 一样，而是有原因的。
电感上的电流可以用如下公式来表示：
V L * dI dt
这个公式可以看到，电感上的电流直线上升，上升斜率取决于输入电 压，而上升的终点同样取决于输入电压，这样就导致导通时间最终和 输入电压无关了。
THD大还是小比较好。
1次谐波(基波) 2次谐波
THD
大于1次的谐波总量 1次谐波
3次谐波
4次谐波 N次谐波
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数字电源设计技术交流 2020年7月27日星期一
谐波失真的危害
供电厂产生的电流波形是基波的正弦，而其他高次谐波的波形是供电 厂无法产生的，因此供电厂必须使出额外的力气来产生所有的高次谐 波，因此THD实际上描述了供电厂必须具备的额外供电能力，或者说 做的无效功。
电厂到用电设备之间的传输线是有电阻的，这些电阻会消耗能量。 用电设备有电阻性的，也有电容和电感性的。
瞬时功率最大 瞬时功率最小
..
3
数字电源设计技术交流 2020年7月27日星期一
PFC基础知识及FOC工作原理
PFC基础知识及FOC工作原理PFC（Power Factor Correction，功率因数校正）是电力电子技术中的重要概念，用于提高交流电源的功率因数，减少谐波污染，提高电能的利用率。
在现代电力系统中，为了减少电能的损耗和环境污染，提高电力的可靠性和稳定性，PFC技术得到了广泛的应用。
下面将介绍PFC的基础知识及FOC（Field-Oriented Control，矢量控制）的工作原理。
PFC的基础知识：1. 功率因数（Power Factor）是指电流与电压之间的相位差，是用来衡量电源的有效功率与视在功率之比的一个无量纲物理量。
功率因数的理论范围是-1到1之间，当功率因数为1时，称为纯电阻性负载，表示电源输出的真正功率与电源输入的视在功率相等，电流与电压完全同相，是最理想的情况。
2.应用传统的整流电路（如桥式整流电路）时，由于其特性导致电流波形不是正弦波，会形成谐波，谐波会增加电网的负荷，降低电能的利用率，导致功率因数下降。
因此，需要对电流波形进行调整，使之与电源的电压波形相一致，从而提高功率因数。
3.PFC技术主要有主动PFC和被动PFC两种方式。
主动PFC通过增加一个特定的电路来改进功率因数，常用的技术有整流器前级的开关转换电路、变压器和电容器的组合电路等。
被动PFC通过选择合适的元件参数和拓扑结构来提高功率因数，常见的技术有谐振式反激电路、无源滤波电路等。
FOC的工作原理：FOC是一种用于交流电机驱动的控制策略，通过将电机的控制转化为矢量控制，实现精准的速度和扭矩控制。
其基本思想是将电机的空间矢量分解为两个独立的分量：磁场定向分量和磁场幅值分量。
磁场定向分量决定了电机的位置和速度，磁场幅值分量决定了电机的扭矩。
FOC的步骤如下：1.通过传感器测量电机的转子位置和速度信息，并将其送入控制器。
2.根据转子位置信息，计算电机的空间矢量分解，包括磁场定向分量和磁场幅值分量。
3.通过电流控制器控制电机的磁场定向分量，使其与期望的磁场定向分量相一致，从而实现精确的速度和位置控制。
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在这个储能放能的过程中，能量都被消耗在了供电线上了，用电设备 由于没有消耗能量，供电厂不能收取电费，但供电厂依然需要架设对 应的供电设备，并且不停的提供能量。
供电厂
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数字电源设计技术交流 2020年7月27日星期一
详细分析各种负载的情况（二极管的情况）
基波和偶次谐波组合，必然
出现波峰波谷相加相消的情
1
况，不可能组合出正负对称
2
的波形
相加 相消
基波和奇次谐波组合，可以
出现完全相加的情况，从而
1
组合出正负对称的波形
3
相加 相加
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数字电源设计技术交流 2020年7月27日星期一
考虑THD后的PF
真实应用中，设备往往同时包含电容/电感和有源器件，因此电流波形 既表现出和电压正弦的相位差，又表现出非正弦特性，如下图，此时， 功率因素的定义为：
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数字电源设计技术交流 2020年7月27日星期一
偶次谐波和奇次谐波
仔细观察可以发现，电流谐波失真图上，偶次谐波的分量几乎为0。
这个不是偶然，在电力领域，谈到谐波失真，都不需要考虑偶次谐波， 只考虑奇次谐波，因为偶次谐波分量可以忽略。
偶次谐波分量为0的原因在于电流波形总是呈现正负对称的形式，这种 对称波形称为奇谐波形，其偶次分量为0，其分析如下：
用电流和电压的相位角之差的余弦值作为功率因数。
PF大还是小比较好？
术交流 2020年7月27日星期一
总谐波失真（THD）
非正弦的周期波形能够拆分成傅里叶级数，这样就得到了该周期波形 的基波和各次谐波。
用总谐波失真来表示各次谐波的大小，在供电领域，谐波的大小特指 电流的大小。
PF低的原因有2个，电容或电感引起的电流相位偏移，有源器件引起 的波形失真。
提高PF的电路称为PFC电路，PFC的思路也是分为2个：
增加补偿电路，比如负载为电容，就在供电线路上加入电感，这种方法称 为无源PFC，常用于只有相位偏移的场合；
THD既要小，同时还要在高频处的谐波分量尽量的小，以减少干扰。
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概要
理解交流供电的特殊性 理解PF和THD ★PPFC原理及实现思路 APFC原理及实现思路
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功率因数校正(PFC)的基本思路
第一步，求出每一个高次谐波和基波的比值； 第二步，比值求和，理论上H可以取到无穷大，但实际应用中，H不会取很
大，一般几十就足够精确了； 第三步，开方。
THD
N
H
(
IN
)2
N2 I1
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谐波失真的图形表示
总谐波失真代表了供电能力的浪费，而高次谐波的幅度则代表了电磁 干扰的强度，因此通常还会使用图标来表示谐波失真，这样可以比较 形象的看出谐波失真的电磁干扰危害程度。
电源系统的非理想性：PF和PFC
V1.5
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概要
★理解交流供电的特殊性 理解PF和THD PPFC原理及实现思路 APFC原理及实现思路
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理解供电厂与用电设备模型
供电厂提供的为交流电，也就是说，供电厂提供的能量是呈现出正弦 形式的波动的，而不是一直持续不变的功率。
供电厂
用户
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概要
理解交流供电的特殊性 ★理解PF和THD PPFC原理及实现思路 APFC原理及实现思路
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功率因数（PF）
为了描述这种电容电感导致的，电流和电压不同步的情况，引入功率 因数的定义。
+
+
电压
电流
t
t
功率
-
-
+
+
-
5
t
t
-
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详细分析各种负载的情况（电阻V.S. 感容）
由前面的图可以看到，消耗的功率=U*I，电阻消耗的总是正功，而电 容和电感却不是，一会正功，一会负功，也就是说，电感和电容一会 从供电厂吸取能量，一会向供电厂提供能量。
THD大还是小比较好。
1次谐波(基波) 2次谐波
THD
大于1次的谐波总量 1次谐波
3次谐波
4次谐波 N次谐波
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谐波失真的危害
供电厂产生的电流波形是基波的正弦，而其他高次谐波的波形是供电 厂无法产生的，因此供电厂必须使出额外的力气来产生所有的高次谐 波，因此THD实际上描述了供电厂必须具备的额外供电能力，或者说 做的无效功。
二极管形成的整流电路，加上电容，用来产生直流输出，这是一种很 常见的结构，只有在AC电压比电容电压高时，二极管才能导通，此时 才有电流，为了提供整个周期的功率，在此范围内必须有很大的电流， 也就是说，AC源必须在短短的时间内提供够用很长一端时间的能量给 设备。
由于供电厂只能产生正弦形式的功率输出，为了达到这个目的，供电厂必 须建设远超出正常消耗的供电设备，以维持用电设备的用电。
谐波失真的其他危害还表现在产生了一些高频的信号，这些信号会干 扰其他设备，这个干扰可以通过线路传导，也可以通过辐射传播，线 路传导称为RFI，辐射传播称为EMI。
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总谐波失真的具体计算
谐波失真描述的是一堆正弦信号，或者说交流信号，交流信号讲究的 是有效值，因此必须使用方和根来计算，其公式如下：
电厂到用电设备之间的传输线是有电阻的，这些电阻会消耗能量。 用电设备有电阻性的，也有电容和电感性的。
瞬时功率最大 瞬时功率最小
..
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各种负载类型的设备的等效电路
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各种负载的情况
下图示出了4种类型负载的消耗能量的情况
+
PF Kd *cos
t
Kd为失真系数，定义如下：
-
Kd 1 1 THD 2
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数字电源设计技术交流 2020年7月27日星期一
小结
现在可以看到，对用电设备的友好性可以用PF来衡量，很多时候PF和 THD是存在关系的，THD越大，PF越低，但THD小不意味着PF高，还 要考虑电流相位的影响。