實(shí)現(xiàn)新效率目標(biāo)的基本要素

能源使用和效率水平正受到比以往任何時(shí)候都更嚴(yán)格的審查，因?yàn)橄M(fèi)者越來(lái)越關(guān)心他們的水電費(fèi)的規(guī)模，而企業(yè)主希望遏制他們不斷上升的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。所有這一切都因日益重要的環(huán)境因素而進(jìn)一步惡化，人們普遍認(rèn)識(shí)到低效設(shè)備會(huì)產(chǎn)生廢熱，最終會(huì)對(duì)生態(tài)產(chǎn)生不利影響。

在電力電子領(lǐng)域，轉(zhuǎn)換效率一直是討論的關(guān)鍵話(huà)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他們的產(chǎn)品，電源制造商通常會(huì)引用“最佳”數(shù)字，這通常是大約 80% 負(fù)載時(shí)的單一值。然而，應(yīng)該注意的是，在實(shí)際應(yīng)用中，所消耗的功率可能根本不在這個(gè)水平上。

負(fù)載可能會(huì)發(fā)生顯著波動(dòng)——這取決于它們的運(yùn)行方式，并且在冗余配置中，所消耗的功率始終會(huì)低得多（除非發(fā)生故障情況）。這意味著系統(tǒng)的實(shí)際效率可能遠(yuǎn)低于引用的效率值所暗示的。

認(rèn)識(shí)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)制定了新能源指南。這些指南通常采用引用效率曲線(xiàn)的形式，這些曲線(xiàn)規(guī)定了所有運(yùn)行負(fù)載（從 20% 到滿(mǎn)負(fù)載）的最低可接受效率水平。因此，設(shè)計(jì)工程師已經(jīng)能夠評(píng)估電力系統(tǒng)中的基本構(gòu)建塊，以確定會(huì)發(fā)生損耗的位置，然后采取行動(dòng)消除它們，從而確保滿(mǎn)足新的效率準(zhǔn)則。功率因數(shù)校正 （PFC） 對(duì)于解決潛在損耗源至關(guān)重要，應(yīng)相應(yīng)實(shí)施。

了解電力系統(tǒng)中的損耗

無(wú)電源系統(tǒng)將非常高效，雖然現(xiàn)代開(kāi)關(guān)半導(dǎo)體器件現(xiàn)在提供前所未有的性能水平，但在運(yùn)行過(guò)程中總會(huì)有一些損失，從而導(dǎo)致效率水平降低。在電力系統(tǒng)中，有兩種類(lèi)型的損耗需要注意：開(kāi)關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗。

傳導(dǎo)損耗包括橋式二極管正向電壓引起的損耗，它與系統(tǒng)功率和開(kāi)關(guān)器件（如 MOSFET 和 IGBT）的導(dǎo)通電阻成正比。這些與整個(gè)系統(tǒng)功率的平方成正比。由于它們會(huì)隨著輸送的功率而增加，因此它們?cè)诮咏鼭M(mǎn)載的情況下往往會(huì)產(chǎn)生更大的影響。傳統(tǒng)上，最集中的地方曾經(jīng)應(yīng)用在這里。

第二種損耗是開(kāi)關(guān)損耗。隨著設(shè)計(jì)工程師努力提高功率密度水平并減小系統(tǒng)尺寸，開(kāi)關(guān)頻率不斷增加，從而可以減小系統(tǒng)中包含的龐大磁性組件的尺寸。開(kāi)關(guān)損耗與寄生電容（例如在開(kāi)關(guān)器件柵極中發(fā)現(xiàn)的那些）的不斷充電有關(guān)。這些與開(kāi)關(guān)頻率成正比，并且在整個(gè)工作功率范圍內(nèi)保持一致。這些損耗往往在較低功率水平下最為普遍，它們會(huì)對(duì)系統(tǒng)效率產(chǎn)生重大影響。

那么為什么 PFC 對(duì)效率如此重要呢？

公用事業(yè)公司提供的所有電網(wǎng)電源都是交流電，電壓波形始終為正弦波。然而，電流波形的形狀和相位不一定是正弦的，而是由被供電的負(fù)載決定的。對(duì)于最簡(jiǎn)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。計(jì)算在這種情況下提供的功率僅僅是將電壓和電流相乘的問(wèn)題。

其他類(lèi)型的負(fù)載，例如電機(jī)，可能包括電抗組件（電感或電容）。在這種情況下，雖然電流波形保持正弦曲線(xiàn)，但它將相對(duì)于電壓波形發(fā)生相移，負(fù)載中的電抗量決定相移量。功率計(jì)算需要考慮相位，因此有功功率由下式確定：

有功功率 = V * I * cos（Φ）

這里 f 代表電壓和電流波形之間的相位角，cos（Φ） 被稱(chēng)為“位移因子”。在阻性負(fù)載中，電流和電壓在 cos（Φ） 相位中的值為 1——這意味著有功功率仍然是電壓和電流的乘積，正常情況下。然而，實(shí)際負(fù)載通常不會(huì)那么簡(jiǎn)單，尤其是在負(fù)載是開(kāi)關(guān)模式電源 （SMPS） 的情況下。這些單元通常有一個(gè)二極管橋式整流器和浪涌電容器，這會(huì)導(dǎo)致電流波形失去其正弦形狀并變成一系列尖峰。

由于波形失真且不再是正弦波，因此使用與波形的總諧波失真 （THD） 相關(guān)聯(lián)的“失真因子”（cos（Θ）） 計(jì)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）

在電流波形同時(shí)發(fā)生相移和失真的情況下，事情會(huì)變得稍微復(fù)雜一些。這里必須同時(shí)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)只是兩個(gè)因素的乘積：

功率因數(shù) = cos （Θ） * cos（Φ）

實(shí)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)越低，因此有功功率越低。由于功率因數(shù)也會(huì)影響效率，這現(xiàn)在是電源設(shè)計(jì)人員需要解決的一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域。

修正功率因數(shù)的必要性

相對(duì)復(fù)雜的數(shù)學(xué)將表明，如果頻率相同，將兩個(gè)正弦波形相乘只能給出大于零的值。因此，可以推斷諧波電流對(duì)系統(tǒng)的有用輸出功率沒(méi)有貢獻(xiàn)，應(yīng)該減少或消除。

這正是被大多數(shù)人認(rèn)為是主要 PFC 標(biāo)準(zhǔn) EN 61000-3-2 所采用的方法。與包括美國(guó)環(huán)境保護(hù)署 （EPA） 能源之星在內(nèi)的許多現(xiàn)代效率規(guī)范一樣，EN61000-3-2 旨在通過(guò)定義諧波電流的嚴(yán)格限制來(lái)降低電流波形的 THD，直至 40次諧波。

實(shí)現(xiàn) PFC 的最常見(jiàn)方法是在橋式整流器和大容量電容器之間插入一個(gè)有源級(jí)，使用商用 PFC 控制器中的幾種常見(jiàn)控制方案之一?？赡茏顝V泛使用的控制方案是連續(xù)傳導(dǎo)模式 （CCM），它以固定頻率運(yùn)行，通常用于更高功率 （》300W） 的系統(tǒng)中。一種流行的替代方法是臨界傳導(dǎo)模式 （CrM） 控制。這通過(guò)僅在電感器電流降至零時(shí)才切換，從而無(wú)需快速恢復(fù)二極管。這會(huì)降低系統(tǒng)成本，但會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)頻率可變。CrM 在低功率系統(tǒng)中尤其普遍，例如用于照明的系統(tǒng)。

PFC 控制方案有進(jìn)一步的增強(qiáng)，其目標(biāo)是提供更高程度的效率，例如將工作頻率限制在定義的范圍內(nèi)。一些控制方案會(huì)根據(jù)負(fù)載變化改變導(dǎo)通模式，以確保達(dá)到最佳效率。

實(shí)用的 PFC 解決方案

雖然可以使用分立元件從頭開(kāi)始設(shè)計(jì) PFC 機(jī)制，但這種情況很少發(fā)生。大多數(shù)工程師會(huì)選擇使用內(nèi)置 PFC 控制方案的現(xiàn)成控制 IC。 ON Semiconductor 的 FL7921R CrM 照明控制器是一種高度集成的器件，它結(jié)合了 PFC 控制器和準(zhǔn)諧振 （QR） PWM 控制器。 它采用受控導(dǎo)通時(shí)間技術(shù)提供穩(wěn)壓直流輸出，執(zhí)行自然 PFC。該 IC 包括一個(gè) THD 優(yōu)化器，可減少過(guò)零處的輸入電流失真，從而提高功率因數(shù)。PFC 功能始終開(kāi)啟以確保功率因數(shù)始終得到充分優(yōu)化，包括在所有重要的輕負(fù)載下（圖 1 和 2）。

圖 2：FL7921R 的功能框圖

STMicroelectronics 的 STNRGPFx2 是一款雙通道交錯(cuò)式 CCM PFC 數(shù)字控制器，旨在用于更高功率的 PFC 升壓應(yīng)用，例如焊接、工業(yè)電機(jī)、電池充電器和電源。這種固定頻率器件能夠驅(qū)動(dòng)兩個(gè)交錯(cuò)的 PFC 通道，包括浪涌電流限制，以及更復(fù)雜的功能，如切相操作。使用 STMicroelectronics 的 eDesignSuite，客戶(hù)可以快速輕松地配置設(shè)備。

概括

管理和控制現(xiàn)代電力系統(tǒng)的功率因數(shù)是提高所有運(yùn)行條件下效率的關(guān)鍵，包括傳統(tǒng)上效率非常低的輕負(fù)載。在具有挑戰(zhàn)性的效率規(guī)范的推動(dòng)下，隨著消費(fèi)者和公司越來(lái)越意識(shí)到運(yùn)營(yíng)成本和浪費(fèi)能源對(duì)環(huán)境的不利影響，充足的 PFC 現(xiàn)在是一項(xiàng)關(guān)鍵的采購(gòu)要求。幸運(yùn)的是，有許多高度集成的控制器可供工程師使用，使工程師能夠輕松實(shí)施各種復(fù)雜的 PFC 方案，以適應(yīng)他們的特定應(yīng)用。

審核編輯：郭婷