這些組織之所以如此關(guān)注功率因數的提高，是因為劣質(zhì)電源對電網(wǎng)會(huì )產(chǎn)生實(shí)際的威脅，它們會(huì )增加熱損耗并可能導致電源故障。

 

功率因數低主要有兩個(gè)原因： 

 

●    位移：當電路的電壓和電流波形異相時(shí)會(huì )產(chǎn)生位移，通常是由電感或電容等電抗元件引起的。

●    失真：波的原始形狀發(fā)生改變，通常是由整流器等非線(xiàn)性電路引起的。這些非線(xiàn)性波包含很多諧波含量，會(huì )使電網(wǎng)中的電壓失真。

 

功率因數校正（PFC）是一系列嘗試提高設備功率因數的方法。

 

解決位移問(wèn)題，通常采用外部無(wú)功元件來(lái)補償電路的總無(wú)功功率。解決失真問(wèn)題有兩種方法： 

 

●    無(wú)源功率因數校正（PFC）：使用無(wú)源濾波器濾除諧波以提高功率因數。這種方法適用于低功率應用，在高功率應用中，其效果遠遠不夠。

●    有源功率因數校正（PFC）：使用開(kāi)關(guān)變換器調制失真波，以將其整形為正弦波。整形后的信號中存在的唯一諧波位于開(kāi)關(guān)頻率處，因此很容易濾除。有源功率因數校正被認為是最好的功率因數校正方法，但會(huì )增加設計的復雜性。

 

良好的功率因數校正電路對任何現代設計都至關(guān)重要，因為功率因數較差的設備效率也低下，而且會(huì )為電網(wǎng)帶來(lái)不必要的壓力，并可能給其他連網(wǎng)設備帶來(lái)問(wèn)題。

 

AC / DC電源中的功率因數校正（PFC）需求

 

在 另一篇文章中我們曾經(jīng)討論過(guò)，AC / DC電源由多個(gè)電路組成，這些電路將輸入端的交流電壓轉換為輸出端穩定的直流電壓。負責將交流電壓轉換為直流電壓的整流器是其中最重要的電路，但僅此電路是不足以確保正常工作的。

 

為了保證AC / DC電源的高效與安全，還需要結合隔離、功率因數校正（PFC）和降壓功能。這些元素可以保護用戶(hù)、保護電網(wǎng)和所有連接的設備，它們都一定程度地集成在所有的開(kāi)關(guān)電源中。

 

任何一個(gè)開(kāi)關(guān)電源的第一步操作都是對輸入電壓進(jìn)行整流。整流是將信號從交流電轉換為直流電的過(guò)程，通過(guò)整流器來(lái)完成。交流電中的負電壓可以通過(guò)半波整流器截止，也可以使用全波整流器反相。

 

全波整流器由四個(gè)二極管組成，并采用Graetz橋配置連接。這些二極管會(huì )隨著(zhù)電源電壓從負變?yōu)檎鴮ê完P(guān)斷，從而使負半周期極性反轉，并將交流正弦波轉換為直流波（見(jiàn)圖1）。

 

圖1: 全橋整流器工作原理

 

但整流器輸出波形具有較大的電壓變化，稱(chēng)為紋波電壓。將一個(gè)儲能電容器與二極管電橋并聯(lián)起來(lái)，可以幫助平滑輸出電壓紋波。 

 

但如果仔細觀(guān)察整流器儲能電容器的輸出波形，會(huì )發(fā)現電容在很短的時(shí)間跨度內被充電，具體來(lái)講，是從電容器輸入端電壓大于電容器電荷的那一點(diǎn)，到整流信號峰值之間。這會(huì )在電容器中產(chǎn)生一系列的短電流尖峰，看上去完全不似正弦曲線(xiàn)（見(jiàn)圖2）。

 

圖2: 整流器輸出電壓和電流波形

 

這些短電流尖峰不僅對電源，而且對整個(gè)電網(wǎng)都可能帶來(lái)嚴重影響。要了解其嚴重性，我們必須首先了解諧波的概念。 

 

諧波與傅立葉變換

 

截至目前，我們所看到的大多數電波形都是正弦波。但實(shí)際上它通常不再是純粹的正弦波，尤其是當電路中存在電抗元件（電容器、電感器）或非線(xiàn)性組件（晶體管、二極管）時(shí)。其波形由不同的、而且通常很復雜的數學(xué)函數來(lái)定義。這可能會(huì )使波形分析更加困難，因為分析背后的數學(xué)會(huì )相當困難（請參見(jiàn)圖3）。

 

圖3：正弦波與失真波–波形和波形函數

 

所幸在19世紀，法國數學(xué)家Jean-Baptiste Joseph Fourier提出了一種方法，可以將任意一個(gè)周期波形分解為一系列具有不同頻率的正弦和余弦波，稱(chēng)為諧波（見(jiàn)圖4）。其中第一個(gè)波為基波，是頻率最低的波。其他幾個(gè)波與基波相結合并給定振幅和頻率。根據經(jīng)驗，波形形狀偏離純正弦波越多，其諧波就越多。

 

圖4：將任意波形分解為傅立葉級數

 

諧波頻率一定是基波頻率的整數倍。例如，如果某波的基頻為50Hz，則第二諧波頻率為100Hz，第三諧波頻率為150Hz，依此類(lèi)推。 

 

振幅是諧波最重要的參數之一，它是諧波對基頻影響的度量。通常，基頻的振幅最大，諧波的振幅按其階次成比例地減小，因此實(shí)際上并不存在9次或20次諧波。諧波幅度可以繪制成圖表，顯示每個(gè)諧波在創(chuàng )建任意波形中所起的作用。

 

但對電容電流來(lái)說(shuō)，其波形看起來(lái)與三角函數非常相似。 理想情況下，這種波是無(wú)限短、無(wú)限強大的脈沖。不難理解，將這種形狀的波分解為正弦波會(huì )很復雜，而且會(huì )產(chǎn)生大量很強的諧波，幾乎涵蓋所有頻率（請參見(jiàn)圖5）。

 

圖5：三角函數和方波的諧波分布

 

這不一定是個(gè)問(wèn)題，因為設備仍可為負載供電，它只會(huì )影響電源的功率因數，因此許多低功率AC / DC電源制造商對此不做處理。但是，如果有太多低功率因數的大功率設備連接到電網(wǎng)，則可能會(huì )產(chǎn)生問(wèn)題，甚至會(huì )造成停電！

 

功率因數

 

交流電中的功率有三種類(lèi)型。第一種稱(chēng)為有功功率，通常指實(shí)際功率，即P。它表示傳遞給負載的凈能量。如果負載是純電阻性的，則線(xiàn)路中的所有功率均為有功功率，電壓和電流彼此同相振蕩。第二種，如果負載是純電抗性的，例如電感器或電容器，則為無(wú)功功率，通常表示為Q。這種功率用于在電抗性組件中產(chǎn)生并維持磁場(chǎng)與電場(chǎng)。這些場(chǎng)使電流相對于電壓錯相。對于電容性負載，電流超前90°；對于電感性負載，電流落后90°（見(jiàn)圖6）。 這意味著(zhù)由這些純電抗負載產(chǎn)生的總功率為零，因為正無(wú)功功率被負無(wú)功功率抵消了。

 

圖6：同相V-I波和相關(guān)功率（左）；90°相位差的V-I波形和相關(guān)功率（右）

 

在實(shí)際應用中，負載不會(huì )是純電阻性或純電抗性，而是兩者的結合。第三種功率類(lèi)型是有功功率和無(wú)功功率之和，稱(chēng)為視在功率，即S。其和為二次方之和，而有功功率、無(wú)功功率和視在功率之間的關(guān)系通常表達為三角形。

 

功率因數是有功功率與視在功率之間的關(guān)系，對于測量電路中功率傳輸的效率非常有用（請參見(jiàn)圖7）。

 

功率三角形

 

低功率因數是位移和失真兩種因素結合導致的結果。首先，在線(xiàn)性負載中，電抗性組件使電流和電壓波性異相。電壓和電流之間的相位差對總功率因數的影響由位移因數定義，通過(guò)等式（1）表示為波形之間角度的余弦值：

 

 

但是，回到我們之間的麻煩，電源設計人員面臨的問(wèn)題不僅是電流和電壓波可能異相，還在于電流波形變成了脈沖序列，也就是非線(xiàn)性函數。這意味著(zhù)電壓和電流的乘積（即功率）也是非線(xiàn)性的，而且效率極低。當電路中有非線(xiàn)性負載（例如熒光燈、電子設備和全橋整流器）時(shí)，常會(huì )發(fā)生這種情況。這種負載在極短而且突發(fā)的脈沖中吸收電流，這會(huì )產(chǎn)生大量諧波并使信號失真。通過(guò)總諧波失真的大?。═HD）來(lái)表示因諧波導致的失真大小是最常見(jiàn)的度量方法。THD代表了諧波電流相對于基波電流的比例，通過(guò)公式（2）來(lái)計算：

 

 

但是，失真對總功率因數的影響則是使用失真因數，它與公式（3）中的總諧波失真有關(guān)：

 

 

位移因數和失真因數的乘積得出了功率因數，用公式（4）計算：

 

 

功率因數通常不會(huì )顯著(zhù)影響設備的運行，但當電流流回電網(wǎng)時(shí)，也會(huì )帶入較差的功率因數。例如，如果將功率因數非常低的電感負載（例如攪拌器的直流電機）連接到電網(wǎng)，其電機注入的諧波，將可能造成鄰居電視屏幕的閃爍。如果大量諧波注入，則可能導致電網(wǎng)中大量的熱損耗，甚至可能導致斷電。

 

因此，電力供應商對設備可以施加到電網(wǎng)的功率干擾量提出了限制。第一次此類(lèi)嘗試是在1899年，隨著(zhù)電氣照明的出現，人們發(fā)現來(lái)自其他設備的干擾會(huì )使白熾燈閃爍。于是，國際電工委員會(huì )（IEC）于1978年提出了一項法規，強制在消費產(chǎn)品中引入功率因數校正。

 

從那時(shí)起，各國就功率因數限制各自制定了自己的準則和法規。美國有自愿參與的“能源之星”準則，規定任何計算機設備在以其最大額定輸出工作時(shí)，必須具有至少0.9的PF。歐盟的法規（IEC31000-3-2）更加嚴格，它將電氣設備分為四類(lèi)：電器（A）、電動(dòng)工具（B）、照明（C）和電子設備（D）。 每個(gè)類(lèi)別對每個(gè)諧波（直到第39次諧波）相對于基頻的相對權重都有特定的限制。其他國家/地區也有類(lèi)似的法規版本，例如中國的GB / T 14549-93或國際IEEE 519-1992。

 

圖8顯示了IEC61000-3-2對C類(lèi)設備的波形限制，包括頻域和時(shí)域?？梢钥吹?，頻域中的最大諧波幅度值跟隨方波，這在時(shí)域中觀(guān)察所得到的波形可以得到確認。

 

圖8：C類(lèi)設備在頻域（左）和時(shí)域（右）中的最大諧波值

 

盡管IEC61000-3-2定義的波形看起來(lái)與理想正弦波差別很大，但沒(méi)有功率因數校正而超過(guò)諧波和功率因數規定限值的設備比比皆是。因此，任何商業(yè)化的設備中都需要良好的功率因數校正電路以提高工作效率，并最終作為消費類(lèi)產(chǎn)品進(jìn)行銷(xiāo)售。

 

什么是功率因數校正（PFC）?

 

功率因數校正（PFC）是電子設備制造商用來(lái)提高其功率因數的一系列方法。 

 

如前所述，低功率因數是由信號中存在的位移或失真引起的。位移對功率因數的影響相對較容易解決，因為電容使相位前移，而電感使相位后移。如果系統的電流波形滯后于電壓，則只需在電路中添加一個(gè)具有適當阻抗的電容，即可將電流波形的相位前移，直至與電壓同相（見(jiàn)圖9）。

 

圖9：無(wú)PFC的低PF功率傳輸（左）和功率因數校正后的功率傳輸（右）

 

另一方面，相比補償線(xiàn)性電路中的位移因數，改善非線(xiàn)性電路中常出現的系統失真因數要復雜很多。一般有兩種選擇：

 

濾除諧波：接受效率的損失，但嘗試通過(guò)在輸入處添加濾波器來(lái)減少注入電網(wǎng)的諧波數量。這稱(chēng)為無(wú)源PFC，它使用低通濾波器來(lái)濾除高次諧波，理想情況下僅保留50Hz基波（見(jiàn)圖10）。在實(shí)際應用中，這種方法改善設備功率因數的效率較低，也不適用于大功率方案，因為添加的電容和電感會(huì )造成效率、尺寸和重量方面的損耗。它通常不會(huì )用于功率超過(guò)數百瓦的應用。

 

圖10：DCM模式下的有源PFC、輸出電流波形（左）和無(wú)源PFC濾波器頻率響應（右）

 

有源功率因數校正。這種方法可以改變電流波形的形狀，使其跟隨電壓。 這樣，諧波被移到更高的頻率上，因而更容易被濾除。使用最廣泛的有源功率因數校正電路是升壓變換器（見(jiàn)圖11）。它與變壓器類(lèi)似，可以升高直流電壓，同時(shí)降低電流。最簡(jiǎn)單的升壓變換器由電感、晶體管和二極管組成。

 

圖11：帶有源PFC電路的開(kāi)關(guān)模式AC / DC電源

 

升壓變換器有兩個(gè)工作階段。在第一個(gè)階段，當開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電感通過(guò)電壓源充電（在這種情況下，電壓來(lái)自整流器）；當開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電感將先前存儲的電流注入電路，以增加輸出電壓，同時(shí)還為電容充電，電容負責在電感充電時(shí)維持輸出電壓。

 

如果開(kāi)關(guān)頻率足夠高，則電感和電容都不會(huì )完全放電，并且輸出端負載電壓始終高于輸入電壓源。這就是連續導通模式（CCM）。開(kāi)關(guān)閉合的時(shí)間越長(cháng)（即晶體管導通的時(shí)間越長(cháng)），輸出端的電壓也越大。如果占空比（相對于總開(kāi)關(guān)周期的開(kāi)關(guān)導通時(shí)間）得到適當控制，則輸入電流波形可以整形為正弦波。

 

但是，并非所有PFC變換器都采用連續導通模式。還有另一種方法，盡管犧牲了最終的功率因數質(zhì)量，但開(kāi)關(guān)損耗更少，電路成本更低，這種方法稱(chēng)為邊界導通模式（BCM）或臨界導通模式。它可以在電感完全放電時(shí)切換晶體管（參見(jiàn)圖12），即零電流開(kāi)關(guān)（ZCS）。零電流開(kāi)關(guān)使升壓變換器中的二極管能夠更快、更輕松地改變極性，從而降低了對高質(zhì)量、高成本組件的需求。

 

圖12: 連續導通模式（左）和邊界導通模式（右）下的PFC電感、晶體管和二極管電流

 

變換器跟蹤輸入電壓，使輸出電流看起來(lái)就像頻率為50Hz的正弦波，但其波形仍然與純正弦波相差很大，因此邏輯上它仍有大量諧波分量。由于諧波分量為開(kāi)關(guān)頻率的倍數，比50Hz基頻高很多（50kHz至100kHz），因此可以很容易地被濾除。這顯著(zhù)提高了功率因數，可以使開(kāi)關(guān)電源的PF值高達0.99。

 

MPS提供的MP44010控制器即為一款BCM功率因數校正器。當連接到升壓變換器時(shí)，其ZCS引腳檢測電感何時(shí)放電并激活MOSFET（如圖13中的Q1）。該器件還可以比較電流和電壓，調整電流峰值以跟隨輸入電壓的波形。

 

圖13: MP44010典型應用電路

 

總結

 

功率因數是任何一個(gè)電子設備設計中都要考慮的關(guān)鍵因素，尤其是在A(yíng)C / DC電源應用中。但選擇正確的PFC電路需要做許多權衡考慮。

 

首先，要檢測低功率因數是由位移還是失真引起的。然后，根據電路中的功率大小，選擇有源或無(wú)源PFC。對于有源PFC，設計人員需要在效率與功率因數質(zhì)量之間做出權衡，選擇變換器的工作模式為連續導通模式或者邊界導通模式。

 

無(wú)論采用哪種解決方案，MPS都有現成的PFC控制器可選，我們的工程師也隨時(shí)準備著(zhù)協(xié)助您解決問(wèn)題。 

 

 

免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問(wèn)題，請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。

 

推薦閱讀：