聊聊功率因數(shù)校正那些事兒

相信大家都有注意到一般工業(yè)用電電費(fèi)會比居民電費(fèi)貴一些?很多人可能會說那是因?yàn)?a target="_blank">供電電網(wǎng)不同，維修維護(hù)難，傳輸成本高。但為啥傳輸成本會高呢?

相信大家都有注意到一般工業(yè)用電電費(fèi)會比居民電費(fèi)貴一些?

很多人可能會說那是因?yàn)楣╇婋娋W(wǎng)不同，維修維護(hù)難，傳輸成本高。

但為啥傳輸成本會高呢?

工業(yè)用電傳輸成本高的原因，從技術(shù)角度來說，是因?yàn)楣I(yè)應(yīng)用中用電設(shè)備多為大功率電感或容性負(fù)載，其功率因數(shù)相對居民用電設(shè)備的功率因數(shù)較低，從而導(dǎo)致無功功率較高，損耗大，因此供電成本就高。

而居民用電普遍中小功率設(shè)備，耗電小，功率因數(shù)高，無功功率損耗少。

那在交流電中，什么是功率因數(shù)?

功率因數(shù) λ(PF)指的是有功功率P與視在功率 S(總耗電量V*I)之間的關(guān)系，即有功功率 P 與視在功率 S(總耗電量V*I)的比值。

λ(PF)=有功功率P/視在功率S

此外，視在功率S, 與有功功率P和無功功率Q另一關(guān)系式為：

由此可見功率因數(shù)可以衡量電力被有效利用的程度，找元器件現(xiàn)貨上唯樣商城當(dāng)功率因數(shù)值越大，代表其電力利用率越高。

在交流輸入電網(wǎng)中，根據(jù)實(shí)際工作波形，也可用一數(shù)學(xué)公式來表征功率因數(shù) (PF)：

從以上公式可看出影響 PF 的兩個(gè)主要因素 cosφ 和 THD，這里相位差 φ 如下圖所示，為輸入交流電壓波形和負(fù)載電流波形的相位差。

而 THD(Total harmonic distortion)為總諧波失真，即指輸入電流的畸變程度。

交流電網(wǎng)中，諧波是相對于基波而言的，如一個(gè)頻率為50Hz的正弦電壓220VAC，施加在非線性負(fù)載上，其輸入電流波形發(fā)生失真，其波形可以用傅里葉展開為各次諧波的分量相加，而總諧波失真相當(dāng)于二次以上諧波分量有效值與基波分量有效值比值的方和根。

總諧波失真(THD)值用于表征諧波引起的波形失真的程度。畸變程度越大，THD 值越大，PF 值將會越小。為提高用電效率，針對各種用電設(shè)備的諧波電流要求，我國都制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

既然功率因數(shù)這么重要，如何用電路來實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)校正呢?

以一般無功率因數(shù)矯正電路下圖為例，整流橋后只有電容濾波，其得到的輸入電流只能是嚴(yán)重畸變的波形，這是因?yàn)檎鳂蚝?a href="http://wenjunhu.com/tags/電容/" target="_blank">電容濾波后直接給負(fù)載設(shè)備供電，這樣使得輸入電流導(dǎo)通角非常的小，功率因數(shù)很差。

無功率因數(shù)校正電路

其電壓和電流波形如下：

在現(xiàn)在AC/DC電源中，找元器件現(xiàn)貨上唯樣商城功率因數(shù)校正電路目前主要使用的是有源功率因數(shù)校正電路(APFC)，APFC 由電感、電容及半導(dǎo)體開關(guān)器件組成，體積小、并通過專用 IC 去控制電流跟隨正弦電壓波形的變化，電流正弦化程度高，PF 可以達(dá)到 0.99，非常接近于1的水平。

下圖所示是一個(gè)典型的 Boost APFC 電路，通過高頻開關(guān)控制電感電流的波形。

有源功率因數(shù)校正電路

其得到的輸入電流波形和電壓波形如下圖：

那么輸入電流的正弦化程度是如何實(shí)現(xiàn)的呢?這里以一個(gè)典型的 Boost APFC 控制電路為例說明。

Boost APFC 控制電路

紅色線框內(nèi) L1, D4，Q1，C6 組成 Boost 主功率回路部分，F(xiàn)B, MULT, CS 分別為輸出電壓反饋，輸入正弦波相位跟蹤和電感電流采樣信號。

在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，通過 FB 檢測 Vo，誤差放大后得到的 Comp 值與 MULT 腳信號做乘法，得到一個(gè)正弦的參考基準(zhǔn)值。然后，該參考基準(zhǔn)值被逐周期地與電感電流采樣信號進(jìn)行比較，完成 MOS 管關(guān)斷邏輯。

待 ZCS 腳檢測到 Boost 電感電流降至0后，觸發(fā) MOS 管開通邏輯，這樣實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的開關(guān)周期。另外 C1 電容將對電感電流進(jìn)行平滑濾波，使輸入電流波形更加正弦平滑，從而實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的校正，得到一個(gè)接近于1的高PF值。

這里講到 APFC 的控制原理，實(shí)際是一種典型的臨界電流控制模式介紹，多用于 300W 以內(nèi)的電源設(shè)計(jì)。而大多針對更高功率的應(yīng)用，則選用連續(xù)電流控制模式(CCM)的功率因數(shù)校正電路。對于輕載效率有要求的地方，有的需要增加斷續(xù)電流控制模式(DCM)， 從而降低工作頻率，達(dá)到改善開關(guān)損耗和 EMI 的效果。

審核編輯：湯梓紅