關(guān)于改善功率因數(shù)和提高效率方法分析

效率 功率因數(shù) 輸出功率與輸入功率的比值 有功功率與視在功率的比值 開(kāi)關(guān)電源 高頻分量 高頻電流法規(guī) 功率因數(shù)校正電路（PFC） 無(wú)源PFC 有源PFC 算法 PFC控制器 BM1C101F 準(zhǔn)諧振方式 Enegy Star6.0

如今，“節(jié)能化”已成為全球共同面臨的課題，對(duì)于電子設(shè)備的功耗要求也越來(lái)越高，不僅要求削減運(yùn)行時(shí)的功耗，對(duì)降低待機(jī)功耗也有嚴(yán)格的要求。另外，為了削減供電過(guò)程中的浪費(fèi)，內(nèi)置PFC（功率因數(shù)校正）功能已成為標(biāo)配。然而，使用PFC尤其會(huì)導(dǎo)致待機(jī)時(shí)和輕負(fù)載時(shí)的效率下降，從而使設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)“功率因數(shù)”和“效率”的矛盾權(quán)衡成為一個(gè)很大的課題。

在這種背景下，ROHM采用獨(dú)有的電源控制技術(shù)，開(kāi)發(fā)出同時(shí)改善了設(shè)備的功率因數(shù)并提高了待機(jī)時(shí)效率的AC/DC轉(zhuǎn)換器IC。就改善功率因數(shù)和提高效率的課題及其解決方法，我們采訪了ROHM株式會(huì)社的負(fù)責(zé)工程師。

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Q:

我們直接進(jìn)入主題，此次的主題是“功率因數(shù)改善和輕負(fù)載時(shí)的高效率兼顧”，因此，請(qǐng)您先簡(jiǎn)單介紹一下“功率因數(shù)”和“效率”可以嗎？

A:

近年來(lái)，“效率”一詞已被廣泛使用，可“功率因數(shù)”這個(gè)詞可能很少被公眾使用。

效率是輸出功率與輸入功率的比值，大多數(shù)情況下用“%”來(lái)表示。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，當(dāng)電源的輸出功率為60W時(shí)，如果輸入功率（功耗）為80W，則通過(guò)60W/80W得出效率為75%。這應(yīng)該是很容易理解的。

而功率因數(shù)涉及到交流的視在功率、有功功率、無(wú)功功率，可能稍微有些復(fù)雜。功率因數(shù)本身是有功功率與視在功率的比值，最大值為1。功率因數(shù)多用0.9或0.95之類(lèi)的小數(shù)來(lái)表示。視在功率是電力公司傳輸電力的功率，也稱(chēng)“表觀功率”。有功功率是指設(shè)備（即負(fù)載）使用的功率。比如，以前面提到的電源為例，如果電源（設(shè)備）使用（消耗）的功率（有功功率）為80W，為了確保這80W，假設(shè)電力公司傳輸電力的功率（視在功率）為100W，則通過(guò)80W/100W計(jì)算得出功率因數(shù)為0.8。

由于是交流電，所以功率因數(shù)可通過(guò)矢量來(lái)分析。設(shè)交流電的電壓和電流相位為θ，則功率因數(shù)可通過(guò)COSθ求出，在沒(méi)有電壓和電流相位差的狀態(tài)下，正弦波的情況下為1。

負(fù)載為純電阻時(shí)，不發(fā)生相位滯后，所以功率因數(shù)為1。有容性負(fù)載或感性負(fù)載時(shí)，或波形不是正弦波時(shí)，產(chǎn)生相位滯后，功率因數(shù)不是1。下面通過(guò)此次的主題—開(kāi)關(guān)方式AC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入電壓和電流波形來(lái)思考一下。

開(kāi)關(guān)電源中會(huì)使用電容來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入端的交流電壓濾波（稱(chēng)為“電容輸入型整流濾波”）。這種濾波用的電容，自然就是容性負(fù)載。輸入到該電容的交流電流，僅在輸入交流電壓高于濾波電容電壓時(shí)會(huì)有，這種電流中含有導(dǎo)通角小、脈沖一樣的非正弦波高頻分量。

在這種狀態(tài)下，即使功耗相同，由于在電源端會(huì)流過(guò)瞬時(shí)大電流，因此設(shè)Cin=100μF、Vin=100Vrms、Po=20W時(shí)，輸入電流的峰值為1.4A。功率因數(shù)約為0.5，與功率因數(shù)為1時(shí)相比是5倍。所以，對(duì)于含有這類(lèi)高頻分量的非正弦波電流的負(fù)載來(lái)說(shuō)，需要較大的視在功率，負(fù)責(zé)電力供給的電力公司需要能夠應(yīng)對(duì)多余發(fā)電和高峰值功率的設(shè)備，成本也相應(yīng)地增加。

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Q:

簡(jiǎn)單地說(shuō)也就是如果設(shè)備電源的功率因數(shù)較差，則需要供給高于其功耗的電力，會(huì)導(dǎo)致發(fā)電和輸電過(guò)程中的浪費(fèi)增加對(duì)吧。

A:

的確如此。針對(duì)功率因數(shù)低的問(wèn)題，世界各國(guó)已經(jīng)開(kāi)始采取措施，比如很多國(guó)家對(duì)功耗超過(guò)指定功率的設(shè)備，執(zhí)行高頻電流法規(guī)等，通過(guò)法律法規(guī)來(lái)制約。滿(mǎn)足這種法規(guī)的方法之一就是使用功率因數(shù)校正電路（PFC），提高功率因數(shù)，抑制高頻電流。在歐洲已經(jīng)規(guī)定75W以上的設(shè)備中必須配備PFC，在日本也是幾乎都已經(jīng)配置PFC。

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Q:

PFC是怎樣提高功率因數(shù)的呢？

A:

PFC主要分使用無(wú)源元件（電感）的無(wú)源型和使用MOSFET等功率開(kāi)關(guān)的有源型兩種類(lèi)型。具有很高峰值的脈沖一樣的電流波形,經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)工作斬波后接近正弦波。

在特征方面，無(wú)源型PFC的電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但難以應(yīng)對(duì)更寬的輸入電壓范圍，并且難以小型化。而有源型PFC可以支持廣泛的輸入電壓范圍，在小型化方面也頗具優(yōu)勢(shì)。被稱(chēng)為“PFC控制器”等的IC，當(dāng)然是有源型的。

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Q:

接下來(lái)，想請(qǐng)您談?wù)劥舜蔚闹黝}“功率因數(shù)改善和高效率兼顧”這個(gè)話(huà)題，這是否意味著“采用PFC電路的話(huà)效率就會(huì)下降”？

A:

配置有源方式的PFC電路，相應(yīng)的功耗會(huì)增加，效率自然會(huì)下降。尤其是如今擁有待機(jī)模式的電子設(shè)備，PFC電路的功耗對(duì)待機(jī)的效率影響較為顯著。

針對(duì)這個(gè)課題，ROHM推出了一款內(nèi)置PFC控制功能的AC/DC轉(zhuǎn)換器用控制器IC“BM1C101F”。BM1C101F采用準(zhǔn)諧振方式，特點(diǎn)是具有可使內(nèi)置PFC控制器在設(shè)置的功率ON/OFF的功能，以及可切換PFC輸出的新控制方式。利用這些技術(shù)，不僅可大幅削減待機(jī)功耗，還滿(mǎn)足了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)Enegy Star6.0的要求。