什么是功率因數(shù) 選擇主動PFC電源的原因

　　本文主要是關(guān)于功率因數(shù)的相關(guān)介紹，并著重對功率因數(shù)和主動PFC電源的原理及構(gòu)造進(jìn)行了詳盡的闡述。

　　功率因數(shù)

　　功率因數(shù)（Power Factor）的大小與電路的負(fù)荷性質(zhì)有關(guān)， 如白熾燈泡、電阻爐等電阻負(fù)荷的功率因數(shù)為1，一般具有電感性負(fù)載的電路功率因數(shù)都小于1。功率因數(shù)是電力系統(tǒng)的一個重要的技術(shù)數(shù)據(jù)。功率因數(shù)是衡量電氣設(shè)備效率高低的一個系數(shù)。功率因數(shù)低，說明電路用于交變磁場轉(zhuǎn)換的無功功率大， 從而降低了設(shè)備的利用率，增加了線路供電損失。在交流電路中，電壓與電流之間的相位差（Φ）的余弦叫做功率因數(shù)，用符號cosΦ表示，在數(shù)值上，功率因數(shù)是有功功率和視在功率的比值，即cosΦ=P/S.

　　最基本分析

　　拿設(shè)備作舉例。例如：設(shè)備功率為100個單位，也就是說，有100個單位的功率輸送到設(shè)備中。然而，因大部分電器系統(tǒng)存在固有的無功損耗，只能使用70個單位的功率。很不幸，雖然僅僅使用70個單位，卻要付100個單位的費(fèi)用。（使用了70個單位的有功功率，你付的就是70個單位的消耗）在這個例子中，功率因數(shù)是0.7 （如果大部分設(shè)備的功率因數(shù)小于0.9時，將被罰款），這種無功損耗主要存在于電機(jī)設(shè)備中（如鼓風(fēng)機(jī)、抽水機(jī)、壓縮機(jī)等），又叫感性負(fù)載。功率因數(shù)是馬達(dá)效能的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。

　　基本分析

　　每種電機(jī)系統(tǒng)均消耗兩大功率，分別是真正的有功（單位：瓦）及電抗性的無功（單位：乏）。功率因數(shù)是有用功與總功率間的比值。功率因數(shù)越高，有用功與總功率間的比值就越大，系統(tǒng)運(yùn)行則更有效率。

　　高級分析

　　在感性負(fù)載電路中，電流波形峰值在電壓波形峰值之后發(fā)生。兩種波形峰值的分隔可用功率因數(shù)表示。功率因數(shù)越低，兩個波形峰值則分隔越大。

　　非線性負(fù)載

　　電力系統(tǒng)上常見的非線性負(fù)載包括整流器（用在電源供應(yīng)器中），或是像螢光燈、電焊機(jī)或電弧爐電弧放電的設(shè)備。由于這些系統(tǒng)的電流會因?yàn)樵那袚Q而中斷，電流會含有諧波成份，其頻率為電源系統(tǒng)的整數(shù)倍數(shù)?；児β室蜃樱―istortion Power Factor）可用來量度電流的諧波畸變對其平均功率的影響。

　　電腦電源供應(yīng)器的弦波電壓及非弦波電流，其畸變功率因子為0.75。

　　非弦波成份

　　非線性負(fù)載將電流波形由正弦波扭曲成其他波形。非線性負(fù)載的輸入電流中除了原來電源的頻率（基頻）外，其中也會有許多高頻的諧波電流成份。由電容器及電感器等線性元件組成的濾波器可以降低諧波電流由負(fù)載端進(jìn)入電源系統(tǒng)中。

　　線性元件組成的電路若電壓為一正弦波，其電流也是相同頻率的弦波。其功率因子只是因?yàn)殡妷汉碗娏髦g的相位差，也可以稱為位移功率因子（Displacement Power Factor）。若電流或電壓非弦波，視在功率包括所有諧波成份時，功率因子中不但有電壓和電流之間的相位差導(dǎo)致的位移功率因子，也會有對應(yīng)諧波成份的畸變功率因子。

　　一般的三用電表無法量測非線性負(fù)載的輸入電流。三用電表會量測整流后波形的平均值。若使用量測均方根（RMS）值的電表，可以量測實(shí)際電流及電壓的均方根值，因此也可以計(jì)算視在功率。若要量測有功功率或無功功率，需使用針對非正弦波電流設(shè)計(jì)的瓦特表。

　　畸變功率因子

　　畸變功率因子（Distortion Power Factor）量度電流的諧波畸變對其平均功率的影響。

　　為負(fù)載電流的總諧波畸變。上述定義假設(shè)電壓仍維持正弦波，沒有畸變，此假設(shè)接近一般實(shí)際應(yīng)用的情形。為電流的基頻成份，而為總電流，二者都以均方根值表示。

　　若將畸變功率因子乘以位移功率因子（Displacement Power Factor，簡稱DPF），即可得到總功率因子，也可稱為真功率因子，或直接簡稱為功率因子。

　　開關(guān)電源

　　開關(guān)電源是一種常見的非線性負(fù)載，世界上至少有數(shù)百萬臺個人電腦中有開關(guān)電源，功率輸出從數(shù)瓦到一千瓦。早期廉價的開關(guān)電源中有一個全波整流器，整流器只有在電源端電壓超過內(nèi)部電容器的電壓時才會導(dǎo)通，因此其峰值因子很高，畸變功率因子很低，而且在三相的電流系統(tǒng)中，其中線性電流不會為零，可能會有中性線負(fù)載過大的問題［6］。

　　典型的開關(guān)電源首先會用整流二極管產(chǎn)生直流電壓，再由直流電壓產(chǎn)生輸出電壓。由于整流器為非線性元件，其輸入電流會有許多的高次諧波成份。此情形會造成電力公司的困擾，因?yàn)闊o法靠加入電容器及電感器的方式補(bǔ)償高頻的諧波成份。因此一些地區(qū)已開始立法要求所有功率大于一定值的電源供應(yīng)器需要有功率因子修正機(jī)能。

　　歐盟為了提升功率因子，有設(shè)置諧波的標(biāo)準(zhǔn)。若要符合現(xiàn)行歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN61000-3-2，所有輸出功率大于75W的開關(guān)電源至少需要有被動功率因子修正（passive PFC）機(jī)能。而80 PLUS開關(guān)電源認(rèn)證要求功率因子至少需到達(dá)0.9的水平［7］。

　　改善

　　電網(wǎng)中的電力負(fù)荷如電動機(jī)、變壓器、日光燈及電弧爐等，大多屬于電感性負(fù)荷，這些電感性的設(shè)備在運(yùn)行過程中不僅需要向電力系統(tǒng)吸收有功功率，還同時吸收無功功率。因此在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器無功補(bǔ)償設(shè)備后，將可以提供補(bǔ)償感性負(fù)荷所消耗的無功功率，減少了電網(wǎng)電源側(cè)向感性負(fù)荷提供及由線路輸送的無功功率。由于減少了無功功率在電網(wǎng)中的流動，因此可以降低輸配電線路中變壓器及母線因輸送無功功率造成的電能損耗，這就是無功補(bǔ)償?shù)男б妗?無功補(bǔ)償?shù)闹饕康木褪翘嵘a(bǔ)償系統(tǒng)的功率因數(shù)。因?yàn)楣╇娋职l(fā)出來的電是以kVA或者M(jìn)VA來計(jì)算的，但是收費(fèi)卻是以kW，也就是實(shí)際所做的有用功來收費(fèi)，兩者之間有一個無效功率的差值，一般而言就是以kvar為單位的無功功率。大部分的無效功都是電感性，也就是一般所謂的電動機(jī)、變壓器、日光燈……，幾乎所有的無效功都是電感性，電容性的非常少見，例如：變頻器就是容性的，在變頻器電源端加入電抗器可提高功率因數(shù)。

　　內(nèi)容

　　由于感性、容性或非線性負(fù)荷的存在，導(dǎo)致系統(tǒng)存在無功功率，從而導(dǎo)致有功功率不等于視在功率，三者之間關(guān)系如下：

　　S^2=P^2+Q^2

　　一種有源功率因數(shù)校正電路

　　一種有源功率因數(shù)校正電路

　??；S為視在功率，P為有功功率，Q為無功功率。三者的單位分別為VA（或kVA），W（或kW），var（或kvar）。

　　簡單來講，在上面的公式中，如果今天的kvar的值為零的話，kVA就會與kW相等，那么供電局發(fā)出來的1kVA的電就等于用戶1kW的消耗，此時成本效益最高，所以功率因數(shù)是供電局非常在意的一個系數(shù)。用戶如果沒有達(dá)到理想的功率因數(shù)，相對地就是在消耗供電局的資源，所以這也是為什么功率因數(shù)是一個法規(guī)的限制。就國內(nèi)而言功率因數(shù)規(guī)定是必須介于電感性的0.9～1之間，低于0.9時需要接受處罰。

　　好處

　　供電部門為了提高成本效益要求用戶提高功率因數(shù)，那提高功率因數(shù)對用戶端有什么好處呢？

　?、?通過改善功率因數(shù)，減少了線路中總電流和供電系統(tǒng)中的電氣元件，如變壓器、電器設(shè)備、導(dǎo)線等的容量，因此不但減少了投資費(fèi)用，而且降低了本身電能的損耗。

　　② 良好的功因數(shù)值的確保，從而減少供電系統(tǒng)中的電壓損失，可以使負(fù)載電壓更穩(wěn)定，改善電能的質(zhì)量。

　?、?可以增加系統(tǒng)的裕度，挖掘出了發(fā)供電設(shè)備的潛力。如果系統(tǒng)的功率因數(shù)低，那么在既有設(shè)備容量不變的情況下，裝設(shè)電容器后，可以提高功率因數(shù)，增加負(fù)載的容量。

　　舉例而言，將1000kVA變壓器之功率因數(shù)從0.8提高到0.98時：

　　補(bǔ)償前：1000×0.8=800kW

　　補(bǔ)償后：1000×0.98=980kW

　　同樣一臺1000kVA的變壓器，功率因數(shù)改變后，它就可以多承擔(dān)180kW的負(fù)載。

　　④ 減少了用戶的電費(fèi)支出；透過上述各元件損失的減少及功率因數(shù)提高的電費(fèi)優(yōu)惠。

　　此外，有些電力電子設(shè)備如整流器、變頻器、開關(guān)電源等；可飽和設(shè)備如變壓器、電動機(jī)、發(fā)電機(jī)等；電弧設(shè)備及電光源設(shè)備如電弧爐、日光燈等，這些設(shè)備均是主要的諧波源，運(yùn)行時將產(chǎn)生大量的諧波。諧波對發(fā)動機(jī)、變壓器、電動機(jī)、電容器等所有連接于電網(wǎng)的電器設(shè)備都有大小不等的危害，主要表現(xiàn)為產(chǎn)生諧波附加損耗，使得設(shè)備過載過熱以及諧波過電壓加速設(shè)備的絕緣老化等。

　　并聯(lián)到線路上進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)碾娙萜鲗χC波會有放大作用，使得系統(tǒng)電壓及電流的畸變更加嚴(yán)重。另外，諧波電流疊加在電容器的基波電流上，會使電容器的電流有效值增加，造成溫度升高，減少電容器的使用壽命。

　　諧波電流使變壓器的銅損耗增加，引起局部過熱、振動、噪音增大、繞組附加發(fā)熱等。

　　諧波污染也會增加電纜等輸電線路的損耗。而且諧波污染對通訊質(zhì)量有影響。當(dāng)電流諧波分量較高時，可能會引起繼電保護(hù)的過電壓保護(hù)、過電流保護(hù)的誤動作。

　　因此，如果系統(tǒng)量測出諧波含量過高時，除了電容器端需要串聯(lián)適宜的調(diào)諧（detuned）電抗外，并需針對負(fù)載特性專案研討加裝諧波改善裝置。

　　選擇主動PFC電源的原因

　　PFC是電腦電源中的一個非常重要的參數(shù)，全稱是電腦功率因素校正，簡稱為PFC。

　　計(jì)算機(jī)電源負(fù)責(zé)把交流電（AC）轉(zhuǎn)成直流電（DC）為主機(jī)提供全部電力，因此其能源轉(zhuǎn)換效率高低是一項(xiàng)非常重要的節(jié)能省電指標(biāo)。電源的能源轉(zhuǎn)換效率跟標(biāo)稱功率大小并無必然關(guān)系，它是電源在處理AC至DC變壓過程中，能量的剩余比例，而此效率基本取決于電源內(nèi)部的功率因素校正電路（PFC，Power Factor Correction）。

　　PFC主要有兩種，一種叫主動式PFC，另一種叫被動式PFC。

　　主動式PFC，也稱有源PFC。主動式PFC使用主動組件 ［控制線路及功率型開關(guān)式組件（power sine conductor On/Off switch），基本運(yùn)作原理為調(diào)整輸入電流波型使其與輸入電壓波形盡可能相似，功率因素校正值可達(dá)近乎100%。此外主動式PFC有另一項(xiàng)重要附加價值，即電源供應(yīng)器輸入電壓范圍可擴(kuò)增為90Vdc到264Vdc的全域電壓，電源供應(yīng)器不需要像以往一般需切換電壓。相對地，因?yàn)槠鋬?yōu)異功能，主動式PFC價格也較高。另外消費(fèi)者還要注意，一般而言很多被動式的設(shè)計(jì)，在115V的系統(tǒng)上是沒有置入的，因?yàn)?a target="_blank">廠商只作230V的部分，所以需請?jiān)?15V電壓系統(tǒng)下的消費(fèi)者，留意此問題，可能多花了錢卻買到在115V下沒有PFC作用的電源供應(yīng)器。

　　被動式PFC，不論靜音與否，他們都可以被稱作無源PFC。無源PFC一般采用電感補(bǔ)償方法使交流輸入的基波電流與電壓之間相位差減小來提高功率因數(shù)，但無源PFC的功率因數(shù)不是很高，只能達(dá)到0.7~0.8。靜音型被動PFC相比非靜音型被動PFC，無論是成本上還是制造工藝上要求都比較高。這里還要說明的是，PFC會產(chǎn)生噪聲的原因。從原理上講，我們在上面看到的部分結(jié)構(gòu)上和電感類似，在對電流和電壓補(bǔ)償?shù)倪^程中，始終進(jìn)行著充放電的過程，因而產(chǎn)生了磁性，最終會和周邊的金屬元件產(chǎn)生震動進(jìn)而發(fā)出噪音。靜音型PFC相當(dāng)于兩個非靜音型PFC的疊加，達(dá)到震動互相抵消的目的。但是，在消除噪音的手段中，安裝是否得當(dāng)也是對靜音效果影響較大的因素?！】傮w上來說，非靜音型被動PFC與靜音型被動PFC所能達(dá)到的效果大致相當(dāng)，但都要低于主動式PFC的功因校正效果。

　　動式PFC優(yōu)于被動式PFC，因此，選擇節(jié)能型的電源必須首選采用主動式PFC電路設(shè)計(jì)的電源。

　　主動式PFC提升功率因素值至95%以上，被動式PFC約只能改善至75%。換句話說，主動式PFC比被動式PFC能節(jié)約更多的能源。

　　采用主動式PFC的電源供應(yīng)器的重量，較用笨重組件的被動式PFC產(chǎn)品要輕巧許多，而產(chǎn)品走向輕薄小是未來3C市場必然趨勢。

　　主動式PFC的優(yōu)點(diǎn)：

　　校正效果遠(yuǎn)優(yōu)于歐洲的 EN 諧波規(guī)范，即便未來規(guī)格更趨嚴(yán)格也都能符合規(guī)定。 隨著IC零件需求增加，成本將隨之降低。

　　較無原料短缺的風(fēng)險。

　　較被動式專業(yè)的解決方案。

　　能以較低成本帶來全域電壓的高附加價值。

　　功率因素接近完美的100%，使電力利用率極佳化，對環(huán)保有益。

　　因應(yīng)未來CPU發(fā)展趨勢，輸出瓦特?cái)?shù)（電力）要求將越高，主動式PFC因成本不隨輸出瓦特?cái)?shù)增加而上升，故擁有較好競爭力。

　　被動式PFC的缺點(diǎn)：

　　當(dāng)歐洲EN的諧波規(guī)范越來越嚴(yán)格時，電感量產(chǎn)的質(zhì)量需提升，而生產(chǎn)難度將提高。

　　沉重重量增加電源供應(yīng)器在運(yùn)輸過程損壞的風(fēng)險。

　　原料短缺的風(fēng)險較高。

　　如電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)固定的不正確，容易產(chǎn)生震動噪音。

　　當(dāng)電源供應(yīng)器輸出超過300瓦以上，被動式PFC在材料成本及產(chǎn)品性能表現(xiàn)上將越不具競爭力。

　　PFC作為決定電源轉(zhuǎn)換效率的重要因素，其主要分為主動PFC與被動PFC。前者帶來的是更高的功率因數(shù)但成本也會有很大的增加，后者雖然價格低廉但功率因數(shù)也會有所下降。

　　主動PFC電路本身損耗的電能比起被動PFC電路更高，從而直接降低了電源的轉(zhuǎn)換效率，因?yàn)橛懈嗟碾娔懿]有被實(shí)際負(fù)載利用上。PFC電路所調(diào)節(jié)的功率因數(shù)，是給電廠節(jié)省了電能，而并沒有真正給用戶節(jié)省。

　　主動PFC的優(yōu)缺點(diǎn)

　　主動PFC的優(yōu)勢是，電壓適應(yīng)范圍寬，功率因數(shù)高。功率因數(shù)和轉(zhuǎn)換效率是兩個不同的指標(biāo)。功率因數(shù)是電路的參數(shù)，交流電路中的一個指標(biāo)，和線路損耗有一定的關(guān)系。功率因數(shù)的范圍是0~1.0，1.0是最理想的，0在實(shí)際電路中其實(shí)不存在。供電局對這個指標(biāo)比較重視，對于一般家用沒有實(shí)際意義。轉(zhuǎn)換效率是關(guān)于能量轉(zhuǎn)換的，直接決定電源的損耗大小。轉(zhuǎn)換效率的范圍是 0% ~100%，100%是理想的狀態(tài)，0%是最差勁的極端。這才是我們應(yīng)該關(guān)心的，轉(zhuǎn)換效率越低，電源損耗越大，浪費(fèi)的電越多。功率因數(shù)不影響電表走字，0.1和1.0都是一樣的走法。轉(zhuǎn)換效率要影響電表走字，轉(zhuǎn)換效率越低，損耗的電能越多，電表也會多走些。高功率因數(shù)，是在給供電局省錢。

　　主動PFC和電源轉(zhuǎn)換效率并沒有必然聯(lián)系。就目前市面上的產(chǎn)品來看，大部分高轉(zhuǎn)換效率的電源都是主動PFC的，也同時擁有很高的功率因數(shù)。之所以目前市場上大多數(shù)電源都是主動式PFC，是由于以下幾點(diǎn)原因。

　　由于低端產(chǎn)品對成本的要求過于嚴(yán)格，所以幾乎不可能使用主動PFC設(shè)計(jì)。而購買這種商品的人同樣不會關(guān)心功率因數(shù)及轉(zhuǎn)換效率究竟如何。因此低端電源普遍采用了傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)，效率低，功率因數(shù)也低。高端電源主要針對電腦玩家和專業(yè)場合設(shè)計(jì)，功率普遍很大，成本可以放寬，本身賣得也很貴。被動PFC在功率超過400W以后，損耗變大，效率變低，體積太大，重量也大。

　　主動PFC在400W功率以上效率有優(yōu)勢，雖然價格貴，但是高端用戶不會在乎這一點(diǎn)價格。高端電源通常都不會沿用傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)，而是廠家精心研發(fā)的先進(jìn)電路，效率自然提高很多。最終的結(jié)果就是：高端電源幾乎全都是主動PFC，功率因數(shù)很高，效率也很高。

　　實(shí)際上，主動PFC在低功率時，自身損耗大于被動PFC。畢竟它是一個復(fù)雜的電路，工作起來要消耗電能;而被動PFC就是一個電感。不過很少有人讓高端電源工作的低負(fù)載下，這個問題也就不明顯了。

　　主動PFC還有一個最麻煩的缺點(diǎn)：電磁干擾大。為了搞定電磁干擾，EMI濾波電路要加強(qiáng)，電路更加復(fù)雜。有些電源在待機(jī)時發(fā)出高頻噪音，也是因?yàn)橹鲃覲FC?？偨Y(jié)

　　高端電源（400W或更高），首選主動PFC，在大功率的場合，主動PFC優(yōu)勢明顯，高端產(chǎn)品成本上不受限制，電路設(shè)計(jì)優(yōu)秀，完全可以彌補(bǔ)主動PFC的缺點(diǎn)。高效率高性能的產(chǎn)品誰都喜歡。

　　低端電源（350W或更低），根據(jù)自己的需求選擇，不必苛求主動PFC，在成本受限的情況下，主動PFC的缺點(diǎn)開始暴露，電磁干擾，高頻噪音。在300W這個等級，主動PFC已經(jīng)完全沒有優(yōu)勢了。

　　結(jié)語

　　關(guān)于功率因數(shù)和主動PFC電源的相關(guān)介紹就到這了，如有不足之處歡迎指正。

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