功率因素校正對效率的重要性及PFC解決方案

隨著消費者越來越關(guān)注公用事業(yè)賬單的規(guī)模，企業(yè)主希望遏制螺旋式增長的運營費用，能源使用和效率水平受到了前所未有的嚴(yán)格審查。日益重要的環(huán)境因素進(jìn)一步加劇了所有這些問題，人們普遍認(rèn)識到，效率低下的設(shè)備會產(chǎn)生廢熱，最終將產(chǎn)生有害的生態(tài)影響。

在電力電子領(lǐng)域，轉(zhuǎn)換效率一直是討論的關(guān)鍵主題，也是任何數(shù)據(jù)表中的主要參數(shù)之一。為了以最有利的方式展示其產(chǎn)品，電源制造商通常會引用“最佳可能”數(shù)字，該數(shù)字通常是負(fù)載約為80％時的單個值。但是，應(yīng)注意，在實際應(yīng)用中，所汲取的功率可能根本不在此水平。

負(fù)載可能會大幅波動-取決于它們的運行方式，在冗余配置中，消耗的功率將始終低得多（除非發(fā)生故障情況）。這意味著系統(tǒng)的實際效率可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于引用的效率值所暗示的。

認(rèn)識到這種情況的嚴(yán)重性，標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，行業(yè)團(tuán)體和政府機(jī)構(gòu)制定了新的能源指南。這些準(zhǔn)則通常采用引用效率曲線的形式，該曲線規(guī)定了從20％到滿負(fù)載的所有運行負(fù)載的最低可接受效率水平。因此，設(shè)計工程師已經(jīng)能夠評估電力系統(tǒng)中的基本組成部分，以識別將在何處發(fā)生損失，然后采取措施消除損失，從而確保滿足新的效率準(zhǔn)則。功率因數(shù)校正（PFC）在解決潛在損失的來源方面至關(guān)重要，應(yīng)相應(yīng)地實施。

了解電力系統(tǒng)的損失

無電源系統(tǒng)將是完美的效率，而現(xiàn)代的開關(guān)半導(dǎo)體器件現(xiàn)在可提供前所未有的性能水平，但在操作過程中始終會

傳導(dǎo)損耗包括由橋式二極管的正向電壓引起的損耗，該正向電壓與系統(tǒng)功率以及諸如MOSFET和IGBT等開關(guān)器件的導(dǎo)通電阻成比例。這些與整個系統(tǒng)功率的平方成正比。由于它們會隨著輸出功率的增加而增加，因此它們傾向于在更接近滿負(fù)載的情況下發(fā)揮更大的作用。傳統(tǒng)上，這里是最關(guān)注的焦點。

第二類損耗是開關(guān)損耗。隨著設(shè)計工程師努力提高功率密度水平并減小系統(tǒng)尺寸，開關(guān)頻率不斷提高，從而減小了集成到系統(tǒng)中的笨重磁性元件的尺寸。開關(guān)損耗與寄生電容（例如開關(guān)器件柵極中的寄生電容）不斷充電有關(guān)。它們與開關(guān)頻率成正比，并且在整個工作功率范圍內(nèi)保持一致。這些損耗往往在較低的功率水平上最為普遍，這會對系統(tǒng)效率產(chǎn)生重大影響。

那么，PFC為什么對效率如此重要？

電力公司提供的所有電網(wǎng)電源都是交流電，并且電壓波形始終為正弦波。但是，電流波形的形狀和相位不一定是正弦波，而是由供電負(fù)載決定的。對于最簡單的純電阻負(fù)載（例如加熱元件），負(fù)載電流與電壓同相并保持正弦曲線。在這種情況下，計算輸出的功率僅是將電壓和電流相乘的問題。

其他類型的負(fù)載（例如電動機(jī)）可能包括電抗組件（感性或容性）。在這種情況下，當(dāng)電流波形保持正弦波狀時，它將相對于電壓波形發(fā)生相移，而負(fù)載中的電抗量將決定相移量。功率計算需要考慮相位，因此有效功率由以下公式確定：

有功功率= V * I * cos（Φ）

這里f表示電壓和電流波形之間的相角，而cos（Φ）被稱為“位移因數(shù)”。在電阻性負(fù)載中，電流和電壓在同相中cos（Φ）的值為1 –表示正常功率仍然是電壓和電流的乘積。但是，實際負(fù)載通常不是那么簡單，尤其是在負(fù)載是開關(guān)電源（SMPS）的情況下。這些單元通常具有二極管橋式整流器和浪涌電容器，這將導(dǎo)致電流波形失去其正弦形狀并變成一系列尖峰。

當(dāng)波形失真且不再是正弦波時，將使用與波形的總諧波失真（THD）關(guān)聯(lián)的“失真因子”（cos（Θ））計算有功功率。因此，在電流和電壓同相但電流波形非正弦的系統(tǒng)中，適用以下公式：

有功功率= V * I * cos（Θ）

在電流波形既有相移又有失真的情況下，情況會變得有些復(fù)雜。在此，必須同時應(yīng)用位移因子和失真因子：

有功功率= V * I * cos（Θ）* cos（Φ）

任何系統(tǒng)的功率因數(shù)僅是兩個因素的乘積：

功率因數(shù)= cos（Θ）* cos（Φ）

實際上，這意味著電壓和電流之間的相位差越大，或者電流波形越失真，功率因數(shù)就越低，因此有功功率就越低。由于功率因數(shù)也會影響效率，因此這現(xiàn)在是功率設(shè)計人員需要解決的關(guān)鍵領(lǐng)域。

需要校正功率因數(shù)

相對復(fù)雜的數(shù)學(xué)表明，如果頻率相同，將兩個正弦波形相乘只能得到大于零的值。結(jié)果，可以推斷出諧波電流對系統(tǒng)的有用輸出功率沒有貢獻(xiàn)，應(yīng)該減少或消除。

正是這被大多數(shù)人認(rèn)為是主要的PFC標(biāo)準(zhǔn)EN 61000-3-2所采用的方法。與許多現(xiàn)代效率規(guī)格（包括美國環(huán)境保護(hù)署（EPA）的能源之星）一樣，EN61000-3-2試圖通過定義嚴(yán)格的諧波電流限制來降低電流波形的THD，直到40次諧波為止。

實現(xiàn)PFC的最常見方法是，使用市售PFC控制器中的幾種常見控制方案之一，在橋式整流器和大容量電容器之間插入一個有源級?？赡茏顝V泛使用的控制方案是連續(xù)傳導(dǎo)模式（CCM），該模式以固定頻率運行，并且經(jīng)常在功率更高（》 300W）的系統(tǒng)中找到。流行的替代方法是臨界傳導(dǎo)模式（CrM）控制。通過僅在電感器電流降至零時才進(jìn)行開關(guān)，從而無需快速恢復(fù)二極管。這降低了系統(tǒng)成本，但導(dǎo)致了可變的開關(guān)頻率。 CrM在低功率系統(tǒng)（例如照明系統(tǒng)）中特別普遍。

圖1：安森美半導(dǎo)體的FL7921R QR電流模式照明控制器

PFC控制方案還有進(jìn)一步的增強(qiáng)，其目的是提供更高的效率，例如將工作頻率限制在定義的范圍內(nèi)。一些控制方案響應(yīng)于負(fù)載變化而改變傳導(dǎo)模式，以確保實現(xiàn)最佳效率。

實用的PFC解決方案

盡管可以使用分立組件從頭開始設(shè)計PFC機(jī)制，但這很少見。大多數(shù)工程師會選擇使用內(nèi)置有PFC控制方案的現(xiàn)成控制IC。安森美半導(dǎo)體的FL7921R CrM照明控制器是一種高度集成的器件，將PFC控制器與準(zhǔn)諧振（QR）PWM控制器結(jié)合在一起。它采用受控導(dǎo)通時間技術(shù)來提供穩(wěn)定的DC輸出，執(zhí)行自然的PFC。該IC包括一個THD優(yōu)化器，可減少過零時的輸入電流失真，從而提高功率因數(shù)。 PFC功能始終處于打開狀態(tài)，以確保始終在包括最重要的輕負(fù)載下始終充分優(yōu)化功率因數(shù)（圖1和2）。

圖2：FL7921R的功能框圖（來源：安森美半導(dǎo)體）

圖3：STMicroelectronics的STNRGPFx2雙通道交錯式PFC控制器。 （來源：意法半導(dǎo)體）

意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）的STNRGPFx2適用于焊接，工業(yè)電動機(jī)，電池充電器和電源等高功率PFC升壓應(yīng)用，是一種兩通道交錯式CCM PFC數(shù)字控制器。該固定頻率設(shè)備能夠驅(qū)動兩個交錯的PFC通道，并具有浪涌電流限制，以及諸如分相操作之類的更復(fù)雜的功能。使用意法半導(dǎo)體的eDesignSuite，客戶可以快速輕松地配置該設(shè)備（圖3）。

總結(jié)

管理和控制現(xiàn)代電力系統(tǒng)的功率因數(shù)是提高所有工作條件下效率的關(guān)鍵，包括傳統(tǒng)上效率非常低的輕負(fù)載。在具有挑戰(zhàn)性的效率指標(biāo)的驅(qū)動下，由于消費者和公司越來越意識到運營成本以及廢能源對環(huán)境的不利影響，充足的PFC現(xiàn)在已成為關(guān)鍵的采購要求。幸運的是，有許多高度集成的控制器可供使用，使工程師可以輕松實現(xiàn)各種復(fù)雜的PFC方案以適合其特定應(yīng)用。

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