关于PFC电源与开关电源的对比分析

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本文主要是关于PFC电源与开关电源的相关介绍，并着重对PFC电源与开关电源的不同之处进行了详尽的阐述。

　　PFC电源
　　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。

　　计算机开关电源是一种电容输入型电路，其电流和电压之间的相位差会造成交换功率的损失，此时便需要PFC电路提高功率因数。目前的PFC有两种，一种为被动式PFC（也称无源PFC）和主动式PFC（也称有源式PFC）。

　　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。

　　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。

　　PFC相关专业术语：
　　1.corrector， power factor （PFC）
　　功率因数修正器

　　2.power-factor corrector （PFC）
　　功率因数修正器

　　3.power factor control （PFC）

　　功率因数控制

　　交过电费的人都知道，同样是使用电网中的电能，为什么工业用电和居民用电的价格却不尽相同呢？

　　大多数人也许会给出这样一个答案：“工业用电是要创造价值，进行商业盈利的；其次就是工业设备污染环境比较多；再次就是工业用电的传输成本高。”这个答案说明了一些问题，但是如果您具备专业知识，或者通过前面的学习，了解了什么是功率因数，那么您肯定能给出更专业的答案：“工业中使用的用电设备多为电感或电容性设备，其功率因数相对居民用电设备的功率因数较低，造成了电网中无功功率较高，电力公司需要多发电来维持这个无功功率，浪费了这部分的电能，所以工业用电用户就需要为这部分浪费的电能买单。”

　　那么我们有什么方法来降低无功功率，或者说如何把功率因数提升到最佳值呢？伟大的科学家们已经帮我们研究出了解决办法：功率因数校正。提高用电设备功率因数，使其接近1的技术就称为功率因数校正。

　　下面让我们看看供电公司和工业用电用户都是怎么样做的吧。

　　供电公司的功率因数校正方法

　　对于供电方，最简单的方法就是提升送电电压，也可以在各个中央变电站、输送网络中，添加功率因数校正设备，提升整个电网本身的功率因数，减少输送损耗，如图2所示。

　　工业用电用户的功率因数校正方法

　　对于工业用电的使用方，可以在低功率因数负载电路中，增加功率因数校正设备，或者使用高功率因数的负载。


　开关电源
　　开关电源是利用现代电子电力技术技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。

　　主要用途

　　开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器，电子冰箱，液晶显示器，LED灯具，通讯设备，视听产品，安防监控，LED灯带，电脑机箱，数码产品和仪器类等领域。

　　主要类型

　　现代开关电源有两种：一种是直流开关电源；另一种是交流开关电源。

　　这里主要介绍的只是直流开关电源，其功能是将电能质量较差的原生态电源（粗电），如市电电源或蓄电池电源，转换成满足设备要求的质量较高的直流电压（精电）。直流开关电源的核心是DC/DC转换器。因此直流开关电源的分类是依赖DC/DC转换器分类的。也就是说，直流开关电源的分类与DC/DC转换器的分类是基本相同的，DC/DC转换器的分类基本上就是直 流开关电源的分类。

　　直流DC/DC转换器按输入与输出之间是否有电气隔离可以分为两类：一类是有隔离的称为隔离式DC/DC转换器；另一类是没有隔离的称为非隔离 式DC/DC转换器。

　　隔离式DC/DC转换器也可以按有源功率器件的个数来分类。单管的DC/DC转换器有正激式（Forward）和反激式两种。双管DC/DC转换器 有双管正激式（DoubleTransistor Forward Converter），双管反激式（Double Transistr Flyback Converter）、推挽式（Push-Pull Converter） 和半桥式（Half-Bridge Converter）四种。四管DC/DC转换器就是全桥DC/DC转换器（Full-Bridge Converter）。

　　非隔离式DC/DC转换器，按有源功率器件的个数，可以分为单管、双管和四管三类。

　　单管DC/DC转换器共有六种，即降压式（Buck）DC/DC转换器 ，升压式（Boost）DC/DC转换器、升压降压式（Buck Boost）DC/DC转换器、Cuk DC/DC转换器、Zeta DC/DC转换器和SEPIC DC/DC转换器。在这六种 单管DC/DC转换器中，Buck和Boost式DC/DC转换器是基本的，Buck-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC式DC/DC转换器是从中派生出来的。双管DC/DC转换 器有双管串接的升压式（Buck-Boost）DC/DC转换器。四管DC/DC转换器常用的是全桥DC/DC转换器（Full-Bridge Converter）。

　　隔离式DC/DC转换器在实现输出与输入电气隔离时，通常采用变压器来实现，由于变压器具有变压的功能，所以有利于扩大转换器的输出应用 范围，也便于实现不同电压的多路输出，或相同电压的多种输出。

　　在功率开关管的电压和电流定额相同时，转换器的输出功率通常与所用开关管的数量成正比。所以开关管数越多，DC/DC转换器的输出功率越大，四管式比两管式输出功率大一倍，单管式输出功率只有四管式的1/4。

　　非隔离式转换器与隔离式转换器的组合，可以得到单个转换器所不具备的一些特性。

　　按能量的传输来分，DC/DC转换器有单向传输和双向传输两种。具有双向传输功能的DC/DC转换器，既可以从电源侧向负载侧传输功率，也可 以从负载侧向电源侧传输功率。

　　DC/DC转换器也可以分为自激式和他控式。借助转换器本身的正反馈信号实现开关管自持周期性开关的转换器，叫做自激式转换器，如洛耶尔 （Royer）转换器就是一种典型的推挽自激式转换器。他控式DC/DC转换器中的开关器件控制信号，是由外部专门的控制电路产生的。

　　按照开关管的开关条件，DC/DC转换器又可以分为硬开关

　　和软开关（Soft Switching）两种。硬开关DC/DC转换器的开关器件 是在承受电压或流过电流的情况下，开通或关断电路的，因此在开通或关断过程中将会产生较大的交叠损耗，即所谓的开关损耗（Switching loss）。当转换器的工作状态一定时开关损耗也是一定的，而且开关频率越高，开关损耗越大，同时在开关过程中还会激起电路分布电感和寄生 电容的振荡，带来附加损耗，因此，硬开关DC/DC转换器的开关频率不能太高。软开关DC/DC转换器的开关管，在开通或关断过程中，或是加于 其上的电压为零，即零电压开关（Zero-Voltage-Switching，ZVS），或是通过开关管的电流为零，即零电流开关（Zero-Current·Switching，ZCS）。这种软开关方式可以显着地减小开关损耗，以及开关过程中激起的振荡，使开关频率可以大幅度提高，为转换器的小型化和模块化创造 了条件。功率场效应管（MOSFET）是应用较多的开关器件，它有较高的开关速度，但同时也有较大的寄生电容。它关断时，在外电压的作用下， 其寄生电容充满电，如果在其开通前不将这一部分电荷放掉，则将消耗于器件内部，这就是容性开通损耗。为了减小或消除这种损耗，功率场 效应管宜采用零电压开通方式（ZVS）。绝缘栅双极性晶体管（Insu1ated Gate Bipo1ar tansistor，IGBT）是一种复合开关器件，关断时的电流拖 尾会导致较大的关断损耗，如果在关断前使流过它的电流降到零，则可以显着地降低开关损耗，因此IGBT宜采用零电流（ZCS）关断方式。IGBT在 零电压条件下关断，同样也能减小关断损耗，但是MOSFET在零电流条件下开通时，并不能减小容性开通损耗。谐振转换器（ResonantConverter ，RC）、准谐振转换器（Qunsi-Tesonant Converter，QRC）、多谐振转换器（Mu1ti-ResonantConverter，MRC）、零电压开关PWM转换器（ZVS PWM Converter）、零电流开关PWM转换器（ZCS PWM Converter）、零电压转换（Zero-Vo1tage-Transition，ZVT）PWM转换器和零电流转换（Zero- Vo1tage-Transition，ZVT）PWM转换器等，均属于软开关直流转换器。电力电子开关器件和零开关转换器技术的发展，促使了高频开关电源的发展。

　　基本组成

　　开关电源大致由主电路、

　　控制电路、检测电路、辅助电源四大部份组成。

　　1、主电路

　　冲击电流限幅：限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。

　　输入滤波器：其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网。

　　整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。

　　逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分。

　　输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。

　　2、控制电路

　　一方面从输出端取样，与设定值进行比较，然后去控制逆变器，改变其脉宽或脉频，使输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对电源进行各种保护措施。

　　3、检测电路

　　提供保护电路中正在运行中各种参数和各种仪表数据。

　　4、辅助电源

　　实现电源的软件（远程）启动，为保护电路和控制电路（PWM等芯片）工作供电。

　　主要分类

　　人们在开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件，

　　320W单组开关电源

　　320W单组开关电源

　　边开发开关变频技术，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类。

　　微型低功率开关电源

　　开关电源正在走向大众化，微型化。开关电源将逐步取代变压器在生活中的所有应用，低功率微型开关电源的应用要首先体现在，数显表、智能电表、手机充电器等方面。现阶段国家在大力推广智能电网建设，对电能表的要求大幅提高，开关电源将逐步取代变压器在电能表上面的应用。

　　反转式串联开关电源

　　反转式串联开关电源与一般串联式开关电源的区别是，这种反转式串联开关电源输出的电压是负电压，正好与一般串联式开关电源输出的正电压极性相反；并且由于储能电感L只在开关K关断时才向负载输出电流，因此，在相同条件下，反转式串联开关电源输出的电流比串联式开关电源输出的电流小一倍。