PFC的基础知识汇总
pf、pfc、ppfc、apfc 的含义功率因数
（pf）的定义
功率因数（pf）的大小与电路的负荷性质有关，负荷的性质可以粗略的分为三种：电阻性负载，电容性负载以及电感性负载。生活中纯粹的电感性负载和电容性负载很少，更多的是电感和电阻混合型负载（阻感型负载）或电容和电阻混合型负载（阻容型负载）。白炽灯泡、电阻炉等电阻负荷的功率因数为 1，一般阻感性负载的电路功率因数都小于 1。生产中最常见的交流异步电动机就是一个阻感性负载，在额定负载时的功率因数一般为 0.7--0.9，如果在轻载时其功率因数就更低。其它设备如工频炉、电焊变压器以及日光灯等，负载的功率因数也都是较低的。
各种负载类型的负荷等效电路如图 1所示：
图1 输入负载等效
图 2 示出了上图中 4 种类型负载的消耗能量的情况：
图2 负载消耗或者释放能量
在某一时刻既有电压又有电流，根据 p=ui，该时刻负荷产生功率的交换，究竟是吸收功率还是发出功率，要看电压和电流的方向，电压和电流同方向则吸收功率，电压和电流方向相反则发出功率。在图 2 中，将负荷吸收的功率的积分， 也就是从电网吸收的电量画在 t 轴的上半部分；将负荷发出的功率的积分，也就是负荷发送到电网的电量，画在 t 轴的下半部分。图 2中粉红色的面积代表负荷吸收或发送的电量。
由 2 图可以看到，电阻总是向电网吸收电能（表现为粉红色的面积总是在
t 轴的上面），而电容和电感却不是，一会从电网吸取能量，一会向电网提供能量
（表现为粉红色的面积时而在 t 轴的上面，时而在 t 轴的下面），产生这种现象的原因是，电感和电容属于储能设备，本身不消耗能量。但是从发电厂传送到用户之间的供电线是有电阻的，在上面流过电流就会消耗电能。在这个储能放能的过程中，能量都被消耗在了供电线上了。
下面再来分析下二极管以及电容构成的整流电路的功率交换情况。这是一种很常见的结构，在开关电源中用的非常多。二极管只有在输入交流电压比电容电压高时，才能导通，此时才有电流。在输入交流电压比电容电压低时，二极管承受反压而截止。在二极管导通的一小段时间内为了提供整个周期的功率，在这段时间内会有很大的电流，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，这种严重失真的电流波形含有大量的谐波成份，引起线路功率因数严重下降。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。 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。
功率因数（pf）是用电设备的一个重要技术指标。在交流电路中，电压与电流之间的相位差（φ）的余弦叫做功率因数，用符号 cosφ表示，在数值上，功率因数是有功功率 p（p=uicosφ）和视在功率 s（p=ui）的比值，即 cosφ=p/s.如图 1.3 所示。
视在功率 s，有功功率 p，无功功率 q 之间的关系满足式
p^2 + q^2 =s^2
功率因数
在纯电阻电路中，电压与电流同相，其功率因数为 1，如图 1.4 所示。对于其他负载来说，其功率因数介于 0 与 1 之间，且多数为感性负载。电压和电流越不同步，计算功率时两者乘积越小。
电阻性负载电压电流波形
在实际中，提高功率因数意味着：
1） 提高用电质量，改善设备运行条件，可保证设备在正常条件下工作，这
就有利于安全生产。
2） 能提高企业用电设备的利用率，充分发挥企业的设备潜力。
3） 可减少线路的功率损失，提高电网输电效率。
4） 因发电机的发电容量的限定，故提高 cosφ也就使发电机能多出有功功率。
在实际用电过程中，提高负载的功率因数是最有效地提高电力资源利用率的方式。
pfc 电路分类
功率因数低的原因有两个，一种是由电容或电感引起的电流相位偏移，此时电流的波形仍然是正弦波，另一种是有源器件引起的波形失真，如上述的整流桥与电容组成的整流电路，其输入波形并非是正弦波，而是含有多种高次谐波，高次谐波的成分越丰富，幅值越大，电流波形失真越严重，如图 5 所示。在输入电压频率为 50hz 时，基波频率为 50hz，2 次谐波为 100hz，3 次谐波为 150hz，
n 次谐波为 n*50hz。
图5 电流波形傅里叶分解
通常失真度可以用 thd 来表示，其计算公式
更多与 thd 的相关的知识请读者自行翻阅资料，在此只给出基本概念。考虑
thd 的影响后，功率因数可以下图 1.6 中公式计算：
图6 pf及thd关系
由上述分析可以看到，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。
提高 pf 的电路称为 pfc 电路，pfc 的思路也是分为 2 个：
（1）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（电流接近正弦波，或 thd 非常小）。
（2）对于 thd 较大的电路，如开关电源，主要的问题是波形失真，因此不能采用无源 pfc，只能采用其他方法，这些方法统称为有源 pfc。有源 pfc 也分
2 种，一种是 ppfc（被动式 pfc），另一种是 apfc（主动式 pfc）。有时候，将无源
pfc 也归为被动式，这样 pfc 分 p 和 a 两类，p 又包括无源和有源两种。
1.3 ppfc 电路
常用的 ppfc 电路如图下图7 所示，该电路称为逐流电路，该电路结构能在一定程度上提高开关电源的 pf 值。下面分析 ppfc 电路原理：当 vdc 比 2 个电容电压加起来还高时，电流流过 c1，d2，c2，逐流电路充电。当 vdc 比 2 个电容电压并联的电压低时，逐流电路放电，放电电流有两条支路，一条是 c1-负载-d1，另一条是 c2-d3-负载。当 vdc 介于两者之间时，逐流电路既不放电也不充电。流过
c1 的电流可表示为图 8。
图7 ppfc 图8 电容电流波形
假如没有逐流电路，当 vac《vdc 时，二极管就会截止，只有 vac》vdc 时，二极管才导通。加上逐流电路后，当 vac 小于两个电容电压之和时，二极管依然导通，直到 vac 小于电容电压，这无形中延长了二极管导通的时间。
假设 vac 为 220v，vdc 稳定在 200v，那么无逐流电路时，只有 vac》200v，二极管才导通，有逐流电路时，vac》100v，二极管就导通。无逐流电路和有逐流电路的电流波形对比图如图 9 所示。
图9 有无逐流电路电流波形对比图
至此我们将pf，pfc，thd，ppfc普及，下面有空讲apfc，有源功率因数校正。
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各种负载类型的负荷等效电路如图 1所示：
图1 输入负载等效
图 2 示出了上图中 4 种类型负载的消耗能量的情况：
图2 负载消耗或者释放能量
在某一时刻既有电压又有电流，根据 p=ui，该时刻负荷产生功率的交换，究竟是吸收功率还是发出功率，要看电压和电流的方向，电压和电流同方向则吸收功率，电压和电流方向相反则发出功率。在图 2 中，将负荷吸收的功率的积分， 也就是从电网吸收的电量画在 t 轴的上半部分；将负荷发出的功率的积分，也就是负荷发送到电网的电量，画在 t 轴的下半部分。图 2中粉红色的面积代表负荷吸收或发送的电量。
由 2 图可以看到，电阻总是向电网吸收电能（表现为粉红色的面积总是在
t 轴的上面），而电容和电感却不是，一会从电网吸取能量，一会向电网提供能量
（表现为粉红色的面积时而在 t 轴的上面，时而在 t 轴的下面），产生这种现象的原因是，电感和电容属于储能设备，本身不消耗能量。但是从发电厂传送到用户之间的供电线是有电阻的，在上面流过电流就会消耗电能。在这个储能放能的过程中，能量都被消耗在了供电线上了。
下面再来分析下二极管以及电容构成的整流电路的功率交换情况。这是一种很常见的结构，在开关电源中用的非常多。二极管只有在输入交流电压比电容电压高时，才能导通，此时才有电流。在输入交流电压比电容电压低时，二极管承受反压而截止。在二极管导通的一小段时间内为了提供整个周期的功率，在这段时间内会有很大的电流，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，这种严重失真的电流波形含有大量的谐波成份，引起线路功率因数严重下降。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。 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。
功率因数（pf）是用电设备的一个重要技术指标。在交流电路中，电压与电流之间的相位差（φ）的余弦叫做功率因数，用符号 cosφ表示，在数值上，功率因数是有功功率 p（p=uicosφ）和视在功率 s（p=ui）的比值，即 cosφ=p/s.如图 1.3 所示。
视在功率 s，有功功率 p，无功功率 q 之间的关系满足式
p^2 + q^2 =s^2
功率因数
在纯电阻电路中，电压与电流同相，其功率因数为 1，如图 1.4 所示。对于其他负载来说，其功率因数介于 0 与 1 之间，且多数为感性负载。电压和电流越不同步，计算功率时两者乘积越小。
电阻性负载电压电流波形
在实际中，提高功率因数意味着：
1） 提高用电质量，改善设备运行条件，可保证设备在正常条件下工作，这
就有利于安全生产。
2） 能提高企业用电设备的利用率，充分发挥企业的设备潜力。
3） 可减少线路的功率损失，提高电网输电效率。
4） 因发电机的发电容量的限定，故提高 cosφ也就使发电机能多出有功功率。
在实际用电过程中，提高负载的功率因数是最有效地提高电力资源利用率的方式。
pfc 电路分类
功率因数低的原因有两个，一种是由电容或电感引起的电流相位偏移，此时电流的波形仍然是正弦波，另一种是有源器件引起的波形失真，如上述的整流桥与电容组成的整流电路，其输入波形并非是正弦波，而是含有多种高次谐波，高次谐波的成分越丰富，幅值越大，电流波形失真越严重，如图 5 所示。在输入电压频率为 50hz 时，基波频率为 50hz，2 次谐波为 100hz，3 次谐波为 150hz，
n 次谐波为 n*50hz。
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（2）对于 thd 较大的电路，如开关电源，主要的问题是波形失真，因此不能采用无源 pfc，只能采用其他方法，这些方法统称为有源 pfc。有源 pfc 也分
2 种，一种是 ppfc（被动式 pfc），另一种是 apfc（主动式 pfc）。有时候，将无源
pfc 也归为被动式，这样 pfc 分 p 和 a 两类，p 又包括无源和有源两种。
1.3 ppfc 电路
常用的 ppfc 电路如图下图7 所示，该电路称为逐流电路，该电路结构能在一定程度上提高开关电源的 pf 值。下面分析 ppfc 电路原理：当 vdc 比 2 个电容电压加起来还高时，电流流过 c1，d2，c2，逐流电路充电。当 vdc 比 2 个电容电压并联的电压低时，逐流电路放电，放电电流有两条支路，一条是 c1-负载-d1，另一条是 c2-d3-负载。当 vdc 介于两者之间时，逐流电路既不放电也不充电。流过
c1 的电流可表示为图 8。
图7 ppfc 图8 电容电流波形
假如没有逐流电路，当 vac《vdc 时，二极管就会截止，只有 vac》vdc 时，二极管才导通。加上逐流电路后，当 vac 小于两个电容电压之和时，二极管依然导通，直到 vac 小于电容电压，这无形中延长了二极管导通的时间。
假设 vac 为 220v，vdc 稳定在 200v，那么无逐流电路时，只有 vac》200v，二极管才导通，有逐流电路时，vac》100v，二极管就导通。无逐流电路和有逐流电路的电流波形对比图如图 9 所示。
图9 有无逐流电路电流波形对比图
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