开关电源系统的非理想性：PF和PFC讲义

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。

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。

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。

电源pfc电路工作原理详解电源PFC电路是电源的一个重要组成部分，其主要作用是提高电源的功率因数，减少谐波污染，降低电网损耗。

本文将详细介绍电源PFC电路的工作原理。

一、PFC电路的基本原理PFC电路的全称为功率因数校正电路，其主要作用是使输入电流与输入电压之间的相位差尽可能接近于零，从而提高功率因数。

在传统的电源中，因为电感、电容等元件的存在，输入电流与输入电压之间的相位差比较大，功率因数较低，容易对电网造成污染。

而PFC电路则通过电路设计和控制算法的优化，实现电流与电压的同相，从而达到提高功率因数的目的。

二、PFC电路的工作原理PFC电路的基本原理是利用电容器和电感器等元件对输入电压进行整流和滤波，然后通过控制器对输入电流进行调节，使其与输入电压之间的相位差尽可能接近于零。

具体的工作原理如下：1.整流和滤波将输入电压通过整流电路转换为直流电压，然后通过电容器进行滤波，使得直流电压稳定。

这样，就可以消除输入电压中的谐波成分，降低对电网的干扰。

2.电流控制接下来，利用控制器对电流进行调节。

控制器通过对电源开关管的控制，调节电源输出电流，使其与输入电压之间的相位差尽可能接近于零。

为了实现这个目的，控制器需要监测输入电流和输入电压，并根据电路设计和控制算法进行计算和调整。

3.反馈控制为了确保PFC电路的稳定性和精度，需要加入反馈控制回路。

具体来说，就是通过采集输出电压，与参考电压进行比较，然后通过PID控制算法调节输出电流，使其稳定在设定值附近，从而保证电源的稳定性和性能。

三、PFC电路的优点1.提高功率因数PFC电路可以使输入电流与输入电压之间的相位差尽可能接近于零，从而提高功率因数，减少对电网的污染。

2.降低谐波污染PFC电路可以消除输入电压中的谐波成分，降低对电网的干扰，提高电源的稳定性和性能。

3.节能降耗PFC电路可以降低电网损耗，减少电能的浪费，从而实现节能降耗的效果。

四、PFC电路的应用PFC电路广泛应用于电源、照明、电动工具、电动车辆等领域。

电力系统的PF和功率控制研究近年来，随着电力需求的增加和能源紧缺的威胁，人们对电力系统的PF（功率因数）和功率控制的研究越来越重视。

电力系统的PF和功率控制对于保障电网稳定运行、提高能效和改善能源利用效率具有重要意义。

本文将从电力系统的PF 和功率控制的基本概念入手，探讨相关研究进展和未来发展方向。

1. 电力系统的PF和功率控制的基本概念电力系统的PF是指实际功率与视在功率之比，代表了电能的有效利用程度。

一般来说，PF的理想值为1，表示所有的电能都被有效地转化为有用的功率，而PF小于1则意味着存在无效功率或者电能的浪费。

功率控制是指通过控制电源输出的功率，使其适应负载需求，达到系统稳定运行和能效最优的目标。

功率控制通过调整负载的使用方式、改变电源的供电方式以及优化电力传输与分配等手段来实现。

2. 电力系统的PF和功率控制技术研究进展2.1 传统的PF和功率控制技术在传统的电力系统中，通过使用补偿电容器、电感器等无源和有源补偿器件，可以改善PF和控制功率。

补偿器件的选择和容量的规划是提高PF和功率控制的关键。

此外，利用负载调度和电源调度等手段，也可以实现有效的功率控制。

2.2 新兴的PF和功率控制技术随着智能电网和可再生能源的快速发展，一些新兴的PF和功率控制技术逐渐受到关注。

例如，基于大数据和人工智能的智能能源管理系统可以实时监控电网负载和供电情况，并通过优化控制算法调整负载和电源配比，以实现PF和功率控制的最优化。

此外，集中式和分布式能源储存技术的应用也可以对PF和功率控制产生积极影响。

通过合理配置和控制储能设备，可以有效平衡电网负荷波动，提高PF和功率控制的稳定性和效率。

3. 电力系统PF和功率控制研究的挑战与机遇3.1 挑战电力系统PF和功率控制研究面临着一些挑战。

首先，电力系统的复杂性增加了PF和功率控制的难度，需要更加精确和高效的控制算法和模型。

其次，随着可再生能源的普及，电力系统的不确定性和波动性增加，对PF和功率控制技术提出了更高的要求。

PFC基础知识及FOC工作原理1.PFC基础知识功率因数校正（Power Factor Correction，PFC）是一种用于改善电力系统功率因数的技术。

电力系统的功率因数是指负载消耗的有功功率与电网传输的视在功率之比。

传统的非线性负载（如开关电源）的功率因数通常很低，这会导致能源浪费，造成能源资源的浪费和电力系统的负荷增加。

PFC技术通过改善负载的有功功率与无功功率之比，提高功率因数。

主要有两种类型的PFC：有源PFC（Active Power Factor Correction, APFC）和无源PFC（Passive Power Factor Correction, PPFC）。

有源PFC通过控制输入电压的幅值和相位，实时跟踪负载的需求并主动纠正功率因数。

无源PFC则通过电容滤波器或电感滤波器的组合，调整负载的输入电流波形，从而改善功率因数。

PFC的目标是将输入电流与输入电压保持同步，以便使输入电源的使用效率最大化。

这样可以降低能量的浪费、提高能源的利用率，减少对电力系统的负荷冲击。

磁场定向控制（Field-Oriented Control，FOC）是一种用于控制三相交流电机的技术。

三相交流电机由转子和定子构成，其中定子是由三个互相偏移120度的线圈组成，每个线圈都与一个相位电流相关联。

传统的控制方式是直接控制定子的三相电流，但这种控制方式会导致转子磁场与定子磁场之间的耦合效应，使得电机控制效果不佳。

FOC技术通过将三相交流电机的转子磁场与定子磁场解耦，分别控制转子磁场和定子磁场的方向和大小，从而实现对电机的精确控制。

FOC的基本原理是首先将三相交流电机的三相电流转换为直流电流，然后再将其分解为转子磁场和定子磁场的分量。

控制器通过测量电机的运动状态（如电流、速度、位置等），根据给定的控制策略来计算所需的转子磁场和定子磁场的大小和方向，并通过逆变器将计算得到的转子磁场和定子磁场的电流发送给电机。

pfc电路原理讲解PFC电路原理讲解PFC（Power Factor Correction，功率因数校正）电路是一种用于改善电力系统功率因数的技术。

在传统的电力系统中，负载对电网的功率因数造成了不利影响，导致电网能源的浪费和电力设备的损耗。

为了解决这个问题，PFC电路应运而生。

PFC电路的基本原理是通过控制输入电流与输入电压之间的相位关系，使功率因数接近1。

换句话说，PFC电路可以在电力系统中引入一个合适的补偿电流，使得整个系统的功率因数接近1，从而提高电网的能源利用率。

PFC电路通常由两个主要部分组成：整流器和滤波器。

整流器的作用是将交流电转换为直流电，并通过控制开关元件（如二极管或晶体管）来调整电流的相位。

滤波器的作用是平滑直流电压，并消除其上的高频噪声。

PFC电路的关键是控制开关元件的导通和截止时间，以便使电流与电压之间的相位差最小。

常用的PFC电路控制方法有两种：边界模式控制（Boundary Mode Control，BMC）和谐振模式控制（Resonant Mode Control，RMC）。

边界模式控制是一种基于固定频率的控制方法，它通过控制开关元件的导通时间来实现电流与电压之间的相位匹配。

这种控制方法简单易实现，但效率相对较低。

谐振模式控制是一种基于变频的控制方法，它利用谐振电路的特性来实现电流与电压之间的相位匹配。

这种控制方法效率较高，但设计和实现较为复杂。

除了控制方法，PFC电路的设计还需要考虑滤波器的选择和参数调整。

滤波器的作用是消除整流器输出电压中的高频噪声，并平滑输出电压。

常用的滤波器包括电感滤波器和电容滤波器，它们的选择和参数设置需要根据具体的应用要求和电路特性进行优化。

PFC电路在现代电力系统中扮演着重要的角色。

它不仅可以提高电网的能源利用率，减少能源浪费，还可以提高电力设备的工作效率和可靠性。

目前，PFC电路已广泛应用于各种电力设备和电子产品中，如电视机、电脑、空调等。

PFC工作原理和控制方法功率因数校正（Power Factor Correction，PFC）是一种电路技术，它的原理是利用电感元件和开关器件构成的开关电源，通过控制开关管的导通时间和断开时间，调节输入电源与负载之间的能量传递方式，使得输入电流与电压之间的相位关系接近于1（即电流和电压的波形相位角接近0度），以提高电源设备的效率和减小对电网的污染。

PFC的目标是解决传统开关电源存在的电能损耗大、功率因数低和对电网的干扰等问题。

传统开关电源是通过整流电路将交流电转换为直流电，然后利用滤波电路去除直流电中的脉动，最后通过开关器件将直流电转换为不同输出电压的电源。

但是，由于整流电路和滤波电路的存在，传统开关电源导致了较低的功率因数。

PFC的核心是利用电感元件和开关器件构成的开关电路，通过改变开关管的导通时间和断开时间来调整系统电压的大小和波形。

在电流和电压的波形相位角相近时，功率因数接近1，电能利用效率高。

具体来说，当输入电压为正弦波形时，系统使用脉宽调制技术（PWM）控制开关管的导通时间和断开时间，实现输出电压的调节。

控制器通过检测输入电流和输出电压的大小，根据预设的控制算法来调整开关管的导通时间和断开时间，进而控制输出电压和功率因数。

PFC的控制方法：1.辅助开关电容法：该方法使用电容和电感元件来实现功率因数校正。

电容和电感元件串联在负载和开关电源之间，形成一个谐振回路，通过谐振回路来改善电路的功率因数。

该方法简单、成本低，并且能够实现良好的功率因数校正效果，但是对于负载变化较大的情况，调节过程比较缓慢。

2.主动式功率因数校正法：该方法通过信号处理器控制器控制开关管的导通和断开时间，实现对输出电压和功率因数的调节。

控制器对输入电流和输出电压进行采样，得到电流和电压的实时数值，然后根据预设的控制算法调整开关管的导通时间和断开时间，使得功率因数接近13.整流器功率因数校正法：该方法在整流电路中加入补偿电路，通过补偿电路提前或滞后改变整流电流的波形，使得输入电流和电压的相位角接近于0度。

PFC工作原理及PFC典型控制芯片工作机理及应用PFC（Power Factor Correction）工作原理指的是通过使用专门的电路和控制技术，使交流电源中的功率因数接近1，从而提高整个电源系统的能量利用效率。

PFC技术的主要目的是减少谐波失真，并改善系统的功率质量。

PFC技术在现代电源系统中得到广泛应用，特别是对于低功率应用来说更为重要。

PFC技术的工作原理基于控制开关电源的输入电流，使其与输入电压同相，从而达到高功率因数的目的。

PFC技术通常分为两类：有源PFC和无源PFC。

有源PFC是基于直流至直流（DC-DC）变换器的控制方法，其中输入电压通过整流器变换为直流电压，并使用一定的控制技术，使得输出电流与输入电压同相。

这种方法的优点是能够实现高效率的功率转换，以及一定程度上能够提供电流控制，从而满足不同负载条件下的需求。

无源PFC则是通过控制电路中的电感、电容和开关器件的时间间隔，使输入电流与输入电压同相。

这种方法的优点是简单且成本较低，但在瞬态响应和电流控制方面可能存在一定的限制。

PFC典型控制芯片的工作机理是通过集成的控制电路和算法来实现PFC技术的功能。

这些芯片通常包括输入电压检测电路、电流控制电路、PWM（脉宽调制）控制器和反馈回路等。

输入电压检测电路用于检测交流电源的输入电压，并将处理后的信号输入给PWM控制器。

电流控制电路用于测量和控制输出电流与输入电压的相位差。

PWM控制器负责根据输入电压的特性来控制开关器件的导通和断开时间，从而实现电流和电压之间的同相性。

反馈回路用于采集输出电流与输入电压之间的差距，并相应地调整开关器件的工作状态。

PFC典型控制芯片的应用范围很广，主要用于各种电源系统中，如计算机、办公设备、无线通信设备、电动工具和家用电器等。

这些芯片的主要功能包括：实现高功率因数、提供过电流和过压保护、提供可调的输出电流和电压、提供高效率的功率转换和提高系统的稳定性和可靠性等。