現代直流穩壓電源為什么要采用PFC技術--直流電源濾波電容的危害
2017-8-13 8:18:45??????點擊：
直流穩壓電源效率高、適應電壓范圍寬、功率大已經被電器設備廣泛的采用，但是它的負面作用隨著大量的應用也逐步顯現，這就是在直流穩壓電源電路中一般是采用整流后直接濾波的方式向后級直流穩壓電源電路提供直流供電，這種整流后直接濾波的方式造成的供電線路中直流電源電流波形的嚴重畸變而產生的危害已經到了不解決不行的地步了。為什么會有這么嚴重的危害？我們下面用二極管半波直流穩壓電源整流電路為例加以解釋；
圖1是半波二極管直流穩壓電源整流電路的四種不同的直流穩壓電源電路（由上至下）；圖1-1是二極管整流后只有一只負載電阻R；圖1-2是二極管整流后只有一只濾波電容C；圖1-3是二極管整流后只有一只負載電阻R和濾波電容C；圖1-4是二極管整流后只有兩只負載電阻R和濾波電容C。
圖1-1：當交流市電加到整流二極管上時；交流電的正半周二極管導通經過負載電阻R形成直流電源電流；交流市電的每一個周期中（0°～360°）只有正半周（0°～180°）到來時整流二極管正偏導通，也就是在正弦波直流穩壓電源整流電路中；二極管的負載是阻性時，每一個正弦波的正半周二極管均導通；二極管的導通角為：180°，（圖中陰影部分是直流電源電流波形）可以看出阻性負載的直流穩壓電源整流電路，二極管流過的直流電源電流其波形、相位和所加的市電電壓波形、相位是相同的。
圖1-2：當交流市電加到整流二極管上時；在第一個周期的0°～360°中由0°開始二極管開始導通施加于二極管上的電壓瞬時值逐漸增大，隨著導通角的增加，二極管的導通直流電源電流也逐漸加大，由于二極管的負載是一只濾波電容C，那么二極管流過直流電源電流對電容C充電，隨著輸入正弦波交流電角度的不斷增加，輸入電壓的瞬時值不斷增加，到達90°時，達到最大值（峰值：311V），并且電容C上的電壓也達到最大值（311V），接著輸入電壓的瞬時值由正半周的90°～180°時，其瞬時值逐步下降，由于電容C在峰值時充電電壓達到311V，此電壓無法釋放，始終維持在311V，此電壓同時也加在整流二極管的輸出端，這樣在二極管輸入端的電壓不管在其它任何時候，（由0°～360°～720°......），二極管都不再導通。也就是在正弦波直流穩壓電源整流電路中；二極管的負載是純容性時；二極管的導通為第一個周期的：0°～90°
圖 1
圖1-3：當交流市電加到整流二極管上時；在第一個周期的0°～360°中由0°開始二極管開始導通施加于二極管上的電壓瞬時值逐漸增大，隨著導通角的增加，二極管的導通直流電源電流也逐漸加大，由于二極管的負載是一只濾波電容C及一只并聯在電容上的電阻R，那么二極管流過直流電源電流對電容C充電及通過電阻R產生負載直流電源電流，隨著輸入正弦波交流電角度的不斷增加，輸入電壓的瞬時值不斷增加，到達900時，達到最大值（峰值：311V），并且電容C上的電壓也達到最大值（311V），此時整流二極管輸入端的交流電瞬時值由900～1800逐漸下降，二極管反偏，不再對電容C充電，而電容C上的電壓311V通過R放電，電壓逐步下降，（由于一般的直流穩壓電源整流電路C的容量極大約為數百微法，電阻R則是負載內阻，是一個高時間常數直流穩壓電源電路，電壓下降幅度極小），當下一個周期的正半周峰點到來電壓雖略有下降（下降的幅度和負載電阻的大小有關）但仍能維持在300V以上。這樣當下一個正弦波周期來到時；只有到了瞬時值達到峰值附近，并且超過電容兩端電壓時，整流二極管才會再次導通，并且又對電容C進行充電，當第二個周期正弦波達到正半周900時（圖中4500）電容兩端電壓又被充到311V峰值，二極管又截止。從圖中可以看出；整流二極管導通的時間極端，導通角極小（視放電的時間常數決定，一般濾波電容越大二極管導通角越小），直流電源電流的波形（陰影部分）呈脈沖狀態，不再是正弦波形狀。
圖1-4是二極管整流后只有兩只負載電阻R及一只濾波電容；兩只電阻R的含義是負載電阻變小，放電直流電源電流變大，和上面圖1-3相同的過程，不同的是在電容C充電到311V后是經過兩只電阻放電，放電速度加快，電容C上的電壓下降較快，這樣當下一個周期到來時由于電壓下降較多，整流二極管較圖1-3狀態提前進入導通狀態；開始導通，當達到最大值時（圖中450°）二極管截止，這樣導通角（圖1-4中陰影部分）較圖1-3大，，直流電源電流的波形呈寬脈沖狀態，也不再是正弦波形狀。
從以上的分析可以看出，整流二極管后面如果不用濾波電容，流過整流二極管的直流電源電流和輸入電壓的波形相同，在正弦波直流穩壓電源整流電路中；如果是橋式整流或全波整流那么直流穩壓電源電路的直流電源電流波形也是正弦波形狀，并且相位也和輸入電壓的相位相同。但是只要整流管后面采用了濾波電容情況就不同了，直流電源電流波形就不再是正弦波形；而變成脈沖狀態，而且視負載的大小及電容容量的大小，脈沖的寬度不同。
直流穩壓電源整流電路脈沖狀直流電源電流波形帶來的危害；
1電磁干擾 EMI（Electrom1gnetic Interference）：由于直流電源電流波形是非正弦波形，并且接近于矩形波，對非正弦波和矩形波進行頻譜分析得知任何一個非正弦波都是由基波和基波的高次諧波疊加形成，對于接近于矩形波的直流電源電流波形則具有更加豐富的高次諧波，而這些頻率成分很高的能量很強高次諧波可以通過無線方式輻射干擾其它直流穩壓電源電路及其它電器設備的正常工作，這就是為什么高檔次的電視機直流穩壓電源都加一個隔離罩或者單獨放置。
2電磁兼容EMC（Electro M1gnetic Interference）：由于供電線路的內阻存在，而直流電源電流是脈沖狀態，在脈沖直流電源電流產生瞬間直流電源電流較大，在線路的內在會產生壓降（在正弦波接近±90°的部位）壓降的產生使線路的正弦波形態產生峰點切幅的失真如圖2所示；圖2-1是正常正弦波波形；圖2-2是產生失真的正弦波波形，這樣的波形在供電線路中，使其它的需要正弦波工作的設備（電動機、電風扇等）不能正常工作。
圖 2
由于現代的直流穩壓電源均是整流后采用大濾波電容來濾波，而產生的EMC及EMI問題，已經到了不解決不行的地步了，為了解決這一問題現在新一代的液晶、等離子電視機及功率較大的電器設備的整流元件后面都不采用濾波電容器，而是把整流的脈動直流再經過一個新增的斬波直流穩壓電源電路（直流穩壓電源）變換成100KHz的高頻脈沖然后再整流、濾波供后級PWM直流穩壓電源應用。這種整流后不直接濾波從而使供電線路中直流電源電流波形仍是正弦波形狀并且和輸入市電電壓波形相同，這就是平時提到的PFC直流穩壓電源技術。
圖1是半波二極管直流穩壓電源整流電路的四種不同的直流穩壓電源電路（由上至下）；圖1-1是二極管整流后只有一只負載電阻R；圖1-2是二極管整流后只有一只濾波電容C；圖1-3是二極管整流后只有一只負載電阻R和濾波電容C；圖1-4是二極管整流后只有兩只負載電阻R和濾波電容C。
圖1-1：當交流市電加到整流二極管上時；交流電的正半周二極管導通經過負載電阻R形成直流電源電流；交流市電的每一個周期中（0°～360°）只有正半周（0°～180°）到來時整流二極管正偏導通，也就是在正弦波直流穩壓電源整流電路中；二極管的負載是阻性時，每一個正弦波的正半周二極管均導通；二極管的導通角為：180°，（圖中陰影部分是直流電源電流波形）可以看出阻性負載的直流穩壓電源整流電路，二極管流過的直流電源電流其波形、相位和所加的市電電壓波形、相位是相同的。
圖1-2：當交流市電加到整流二極管上時；在第一個周期的0°～360°中由0°開始二極管開始導通施加于二極管上的電壓瞬時值逐漸增大，隨著導通角的增加，二極管的導通直流電源電流也逐漸加大，由于二極管的負載是一只濾波電容C，那么二極管流過直流電源電流對電容C充電，隨著輸入正弦波交流電角度的不斷增加，輸入電壓的瞬時值不斷增加，到達90°時，達到最大值（峰值：311V），并且電容C上的電壓也達到最大值（311V），接著輸入電壓的瞬時值由正半周的90°～180°時，其瞬時值逐步下降，由于電容C在峰值時充電電壓達到311V，此電壓無法釋放，始終維持在311V，此電壓同時也加在整流二極管的輸出端，這樣在二極管輸入端的電壓不管在其它任何時候，（由0°～360°～720°......），二極管都不再導通。也就是在正弦波直流穩壓電源整流電路中；二極管的負載是純容性時；二極管的導通為第一個周期的：0°～90°
圖 1
圖1-3：當交流市電加到整流二極管上時；在第一個周期的0°～360°中由0°開始二極管開始導通施加于二極管上的電壓瞬時值逐漸增大，隨著導通角的增加，二極管的導通直流電源電流也逐漸加大，由于二極管的負載是一只濾波電容C及一只并聯在電容上的電阻R，那么二極管流過直流電源電流對電容C充電及通過電阻R產生負載直流電源電流，隨著輸入正弦波交流電角度的不斷增加，輸入電壓的瞬時值不斷增加，到達900時，達到最大值（峰值：311V），并且電容C上的電壓也達到最大值（311V），此時整流二極管輸入端的交流電瞬時值由900～1800逐漸下降，二極管反偏，不再對電容C充電，而電容C上的電壓311V通過R放電，電壓逐步下降，（由于一般的直流穩壓電源整流電路C的容量極大約為數百微法，電阻R則是負載內阻，是一個高時間常數直流穩壓電源電路，電壓下降幅度極小），當下一個周期的正半周峰點到來電壓雖略有下降（下降的幅度和負載電阻的大小有關）但仍能維持在300V以上。這樣當下一個正弦波周期來到時；只有到了瞬時值達到峰值附近，并且超過電容兩端電壓時，整流二極管才會再次導通，并且又對電容C進行充電，當第二個周期正弦波達到正半周900時（圖中4500）電容兩端電壓又被充到311V峰值，二極管又截止。從圖中可以看出；整流二極管導通的時間極端，導通角極小（視放電的時間常數決定，一般濾波電容越大二極管導通角越小），直流電源電流的波形（陰影部分）呈脈沖狀態，不再是正弦波形狀。
圖1-4是二極管整流后只有兩只負載電阻R及一只濾波電容；兩只電阻R的含義是負載電阻變小，放電直流電源電流變大，和上面圖1-3相同的過程，不同的是在電容C充電到311V后是經過兩只電阻放電，放電速度加快，電容C上的電壓下降較快，這樣當下一個周期到來時由于電壓下降較多，整流二極管較圖1-3狀態提前進入導通狀態；開始導通，當達到最大值時（圖中450°）二極管截止，這樣導通角（圖1-4中陰影部分）較圖1-3大，，直流電源電流的波形呈寬脈沖狀態，也不再是正弦波形狀。
從以上的分析可以看出，整流二極管后面如果不用濾波電容，流過整流二極管的直流電源電流和輸入電壓的波形相同，在正弦波直流穩壓電源整流電路中；如果是橋式整流或全波整流那么直流穩壓電源電路的直流電源電流波形也是正弦波形狀，并且相位也和輸入電壓的相位相同。但是只要整流管后面采用了濾波電容情況就不同了，直流電源電流波形就不再是正弦波形；而變成脈沖狀態，而且視負載的大小及電容容量的大小，脈沖的寬度不同。
直流穩壓電源整流電路脈沖狀直流電源電流波形帶來的危害；
1電磁干擾 EMI（Electrom1gnetic Interference）：由于直流電源電流波形是非正弦波形，并且接近于矩形波，對非正弦波和矩形波進行頻譜分析得知任何一個非正弦波都是由基波和基波的高次諧波疊加形成，對于接近于矩形波的直流電源電流波形則具有更加豐富的高次諧波，而這些頻率成分很高的能量很強高次諧波可以通過無線方式輻射干擾其它直流穩壓電源電路及其它電器設備的正常工作，這就是為什么高檔次的電視機直流穩壓電源都加一個隔離罩或者單獨放置。
2電磁兼容EMC（Electro M1gnetic Interference）：由于供電線路的內阻存在，而直流電源電流是脈沖狀態，在脈沖直流電源電流產生瞬間直流電源電流較大，在線路的內在會產生壓降（在正弦波接近±90°的部位）壓降的產生使線路的正弦波形態產生峰點切幅的失真如圖2所示；圖2-1是正常正弦波波形；圖2-2是產生失真的正弦波波形，這樣的波形在供電線路中，使其它的需要正弦波工作的設備（電動機、電風扇等）不能正常工作。
圖 2
由于現代的直流穩壓電源均是整流后采用大濾波電容來濾波，而產生的EMC及EMI問題，已經到了不解決不行的地步了，為了解決這一問題現在新一代的液晶、等離子電視機及功率較大的電器設備的整流元件后面都不采用濾波電容器，而是把整流的脈動直流再經過一個新增的斬波直流穩壓電源電路（直流穩壓電源）變換成100KHz的高頻脈沖然后再整流、濾波供后級PWM直流穩壓電源應用。這種整流后不直接濾波從而使供電線路中直流電源電流波形仍是正弦波形狀并且和輸入市電電壓波形相同，這就是平時提到的PFC直流穩壓電源技術。
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