【導(dǎo)讀】功率因數(shù)定義為設(shè)備能夠傳輸?shù)捷敵龆说哪芰颗c其從輸入電源處獲取的總能量之比。它是電子設(shè)備設(shè)計(jì)的關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)，很多國(guó)家和國(guó)際組織都為此制定了相應(yīng)的法規(guī)。例如歐盟定義了設(shè)備必須具備的最小功率因數(shù)或最大諧波水平，滿足其標(biāo)準(zhǔn)才能在歐洲市場(chǎng)進(jìn)行銷售。
這些組織之所以如此關(guān)注功率因數(shù)的提高，是因?yàn)榱淤|(zhì)電源對(duì)電網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生實(shí)際的威脅，它們會(huì)增加熱損耗并可能導(dǎo)致電源故障。
功率因數(shù)低主要有兩個(gè)原因：
● 位移：當(dāng)電路的電壓和電流波形異相時(shí)會(huì)產(chǎn)生位移，通常是由電感或電容等電抗元件引起的。
● 失真：波的原始形狀發(fā)生改變，通常是由整流器等非線性電路引起的。這些非線性波包含很多諧波含量，會(huì)使電網(wǎng)中的電壓失真。
功率因數(shù)校正（PFC）是一系列嘗試提高設(shè)備功率因數(shù)的方法。
解決位移問(wèn)題，通常采用外部無(wú)功元件來(lái)補(bǔ)償電路的總無(wú)功功率。解決失真問(wèn)題有兩種方法：
● 無(wú)源功率因數(shù)校正（PFC）：使用無(wú)源濾波器濾除諧波以提高功率因數(shù)。這種方法適用于低功率應(yīng)用，在高功率應(yīng)用中，其效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。
● 有源功率因數(shù)校正（PFC）：使用開(kāi)關(guān)變換器調(diào)制失真波，以將其整形為正弦波。整形后的信號(hào)中存在的唯一諧波位于開(kāi)關(guān)頻率處，因此很容易濾除。有源功率因數(shù)校正被認(rèn)為是最好的功率因數(shù)校正方法，但會(huì)增加設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。
良好的功率因數(shù)校正電路對(duì)任何現(xiàn)代設(shè)計(jì)都至關(guān)重要，因?yàn)楣β室驍?shù)較差的設(shè)備效率也低下，而且會(huì)為電網(wǎng)帶來(lái)不必要的壓力，并可能給其他連網(wǎng)設(shè)備帶來(lái)問(wèn)題。
AC / DC電源中的功率因數(shù)校正（PFC）需求
在 另一篇文章中我們?cè)?jīng)討論過(guò)，AC / DC電源由多個(gè)電路組成，這些電路將輸入端的交流電壓轉(zhuǎn)換為輸出端穩(wěn)定的直流電壓。負(fù)責(zé)將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓的整流器是其中最重要的電路，但僅此電路是不足以確保正常工作的。
為了保證AC / DC電源的高效與安全，還需要結(jié)合隔離、功率因數(shù)校正（PFC）和降壓功能。這些元素可以保護(hù)用戶、保護(hù)電網(wǎng)和所有連接的設(shè)備，它們都一定程度地集成在所有的開(kāi)關(guān)電源中。
任何一個(gè)開(kāi)關(guān)電源的第一步操作都是對(duì)輸入電壓進(jìn)行整流。整流是將信號(hào)從交流電轉(zhuǎn)換為直流電的過(guò)程，通過(guò)整流器來(lái)完成。交流電中的負(fù)電壓可以通過(guò)半波整流器截止，也可以使用全波整流器反相。
全波整流器由四個(gè)二極管組成，并采用Graetz橋配置連接。這些二極管會(huì)隨著電源電壓從負(fù)變?yōu)檎鴮?dǎo)通和關(guān)斷，從而使負(fù)半周期極性反轉(zhuǎn)，并將交流正弦波轉(zhuǎn)換為直流波（見(jiàn)圖1）。
圖1: 全橋整流器工作原理
但整流器輸出波形具有較大的電壓變化，稱為紋波電壓。將一個(gè)儲(chǔ)能電容器與二極管電橋并聯(lián)起來(lái)，可以幫助平滑輸出電壓紋波。
但如果仔細(xì)觀察整流器儲(chǔ)能電容器的輸出波形，會(huì)發(fā)現(xiàn)電容在很短的時(shí)間跨度內(nèi)被充電，具體來(lái)講，是從電容器輸入端電壓大于電容器電荷的那一點(diǎn)，到整流信號(hào)峰值之間。這會(huì)在電容器中產(chǎn)生一系列的短電流尖峰，看上去完全不似正弦曲線（見(jiàn)圖2）。
圖2: 整流器輸出電壓和電流波形
這些短電流尖峰不僅對(duì)電源，而且對(duì)整個(gè)電網(wǎng)都可能帶來(lái)嚴(yán)重影響。要了解其嚴(yán)重性，我們必須首先了解諧波的概念。
諧波與傅立葉變換
截至目前，我們所看到的大多數(shù)電波形都是正弦波。但實(shí)際上它通常不再是純粹的正弦波，尤其是當(dāng)電路中存在電抗元件（電容器、電感器）或非線性組件（晶體管、二極管）時(shí)。其波形由不同的、而且通常很復(fù)雜的數(shù)學(xué)函數(shù)來(lái)定義。這可能會(huì)使波形分析更加困難，因?yàn)榉治霰澈蟮臄?shù)學(xué)會(huì)相當(dāng)困難（請(qǐng)參見(jiàn)圖3）。
圖3：正弦波與失真波–波形和波形函數(shù)
所幸在19世紀(jì)，法國(guó)數(shù)學(xué)家Jean-Baptiste Joseph Fourier提出了一種方法，可以將任意一個(gè)周期波形分解為一系列具有不同頻率的正弦和余弦波，稱為諧波（見(jiàn)圖4）。其中第一個(gè)波為基波，是頻率最低的波。其他幾個(gè)波與基波相結(jié)合并給定振幅和頻率。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，波形形狀偏離純正弦波越多，其諧波就越多。
圖4：將任意波形分解為傅立葉級(jí)數(shù)
諧波頻率一定是基波頻率的整數(shù)倍。例如，如果某波的基頻為50Hz，則第二諧波頻率為100Hz，第三諧波頻率為150Hz，依此類推。
振幅是諧波最重要的參數(shù)之一，它是諧波對(duì)基頻影響的度量。通常，基頻的振幅最大，諧波的振幅按其階次成比例地減小，因此實(shí)際上并不存在9次或20次諧波。諧波幅度可以繪制成圖表，顯示每個(gè)諧波在創(chuàng)建任意波形中所起的作用。
但對(duì)電容電流來(lái)說(shuō)，其波形看起來(lái)與三角函數(shù)非常相似。 理想情況下，這種波是無(wú)限短、無(wú)限強(qiáng)大的脈沖。不難理解，將這種形狀的波分解為正弦波會(huì)很復(fù)雜，而且會(huì)產(chǎn)生大量很強(qiáng)的諧波，幾乎涵蓋所有頻率（請(qǐng)參見(jiàn)圖5）。
圖5：三角函數(shù)和方波的諧波分布
這不一定是個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樵O(shè)備仍可為負(fù)載供電，它只會(huì)影響電源的功率因數(shù)，因此許多低功率AC / DC電源制造商對(duì)此不做處理。但是，如果有太多低功率因數(shù)的大功率設(shè)備連接到電網(wǎng)，則可能會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題，甚至?xí)斐赏ｋ姡?/p>
功率因數(shù)
交流電中的功率有三種類型。第一種稱為有功功率，通常指實(shí)際功率，即P。它表示傳遞給負(fù)載的凈能量。如果負(fù)載是純電阻性的，則線路中的所有功率均為有功功率，電壓和電流彼此同相振蕩。第二種，如果負(fù)載是純電抗性的，例如電感器或電容器，則為無(wú)功功率，通常表示為Q。這種功率用于在電抗性組件中產(chǎn)生并維持磁場(chǎng)與電場(chǎng)。這些場(chǎng)使電流相對(duì)于電壓錯(cuò)相。對(duì)于電容性負(fù)載，電流超前90°；對(duì)于電感性負(fù)載，電流落后90°（見(jiàn)圖6）。 這意味著由這些純電抗負(fù)載產(chǎn)生的總功率為零，因?yàn)檎裏o(wú)功功率被負(fù)無(wú)功功率抵消了。
圖6：同相V-I波和相關(guān)功率（左）；90°相位差的V-I波形和相關(guān)功率（右）
在實(shí)際應(yīng)用中，負(fù)載不會(huì)是純電阻性或純電抗性，而是兩者的結(jié)合。第三種功率類型是有功功率和無(wú)功功率之和，稱為視在功率，即S。其和為二次方之和，而有功功率、無(wú)功功率和視在功率之間的關(guān)系通常表達(dá)為三角形。
功率因數(shù)是有功功率與視在功率之間的關(guān)系，對(duì)于測(cè)量電路中功率傳輸?shù)男史浅Ｓ杏茫ㄕ?qǐng)參見(jiàn)圖7）。
功率三角形
低功率因數(shù)是位移和失真兩種因素結(jié)合導(dǎo)致的結(jié)果。首先，在線性負(fù)載中，電抗性組件使電流和電壓波性異相。電壓和電流之間的相位差對(duì)總功率因數(shù)的影響由位移因數(shù)定義，通過(guò)等式（1）表示為波形之間角度的余弦值：
但是，回到我們之間的麻煩，電源設(shè)計(jì)人員面臨的問(wèn)題不僅是電流和電壓波可能異相，還在于電流波形變成了脈沖序列，也就是非線性函數(shù)。這意味著電壓和電流的乘積（即功率）也是非線性的，而且效率極低。當(dāng)電路中有非線性負(fù)載（例如熒光燈、電子設(shè)備和全橋整流器）時(shí)，常會(huì)發(fā)生這種情況。這種負(fù)載在極短而且突發(fā)的脈沖中吸收電流，這會(huì)產(chǎn)生大量諧波并使信號(hào)失真。通過(guò)總諧波失真的大小（THD）來(lái)表示因諧波導(dǎo)致的失真大小是最常見(jiàn)的度量方法。THD代表了諧波電流相對(duì)于基波電流的比例，通過(guò)公式（2）來(lái)計(jì)算：
但是，失真對(duì)總功率因數(shù)的影響則是使用失真因數(shù)，它與公式（3）中的總諧波失真有關(guān)：
位移因數(shù)和失真因數(shù)的乘積得出了功率因數(shù)，用公式（4）計(jì)算：
功率因數(shù)通常不會(huì)顯著影響設(shè)備的運(yùn)行，但當(dāng)電流流回電網(wǎng)時(shí)，也會(huì)帶入較差的功率因數(shù)。例如，如果將功率因數(shù)非常低的電感負(fù)載（例如攪拌器的直流電機(jī)）連接到電網(wǎng)，其電機(jī)注入的諧波，將可能造成鄰居電視屏幕的閃爍。如果大量諧波注入，則可能導(dǎo)致電網(wǎng)中大量的熱損耗，甚至可能導(dǎo)致斷電。
因此，電力供應(yīng)商對(duì)設(shè)備可以施加到電網(wǎng)的功率干擾量提出了限制。第一次此類嘗試是在1899年，隨著電氣照明的出現(xiàn)，人們發(fā)現(xiàn)來(lái)自其他設(shè)備的干擾會(huì)使白熾燈閃爍。于是，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）于1978年提出了一項(xiàng)法規(guī)，強(qiáng)制在消費(fèi)產(chǎn)品中引入功率因數(shù)校正。
從那時(shí)起，各國(guó)就功率因數(shù)限制各自制定了自己的準(zhǔn)則和法規(guī)。美國(guó)有自愿參與的“能源之星”準(zhǔn)則，規(guī)定任何計(jì)算機(jī)設(shè)備在以其最大額定輸出工作時(shí)，必須具有至少0.9的PF。歐盟的法規(guī)（IEC31000-3-2）更加嚴(yán)格，它將電氣設(shè)備分為四類：電器（A）、電動(dòng)工具（B）、照明（C）和電子設(shè)備（D）。 每個(gè)類別對(duì)每個(gè)諧波（直到第39次諧波）相對(duì)于基頻的相對(duì)權(quán)重都有特定的限制。其他國(guó)家/地區(qū)也有類似的法規(guī)版本，例如中國(guó)的GB / T 14549-93或國(guó)際IEEE 519-1992。
圖8顯示了IEC61000-3-2對(duì)C類設(shè)備的波形限制，包括頻域和時(shí)域。可以看到，頻域中的最大諧波幅度值跟隨方波，這在時(shí)域中觀察所得到的波形可以得到確認(rèn)。
圖8：C類設(shè)備在頻域（左）和時(shí)域（右）中的最大諧波值
盡管IEC61000-3-2定義的波形看起來(lái)與理想正弦波差別很大，但沒(méi)有功率因數(shù)校正而超過(guò)諧波和功率因數(shù)規(guī)定限值的設(shè)備比比皆是。因此，任何商業(yè)化的設(shè)備中都需要良好的功率因數(shù)校正電路以提高工作效率，并最終作為消費(fèi)類產(chǎn)品進(jìn)行銷售。
什么是功率因數(shù)校正（PFC）?
功率因數(shù)校正（PFC）是電子設(shè)備制造商用來(lái)提高其功率因數(shù)的一系列方法。
如前所述，低功率因數(shù)是由信號(hào)中存在的位移或失真引起的。位移對(duì)功率因數(shù)的影響相對(duì)較容易解決，因?yàn)殡娙菔瓜辔磺耙疲姼惺瓜辔缓笠啤Ｈ绻到y(tǒng)的電流波形滯后于電壓，則只需在電路中添加一個(gè)具有適當(dāng)阻抗的電容，即可將電流波形的相位前移，直至與電壓同相（見(jiàn)圖9）。
圖9：無(wú)PFC的低PF功率傳輸（左）和功率因數(shù)校正后的功率傳輸（右）
另一方面，相比補(bǔ)償線性電路中的位移因數(shù)，改善非線性電路中常出現(xiàn)的系統(tǒng)失真因數(shù)要復(fù)雜很多。一般有兩種選擇：
濾除諧波：接受效率的損失，但嘗試通過(guò)在輸入處添加濾波器來(lái)減少注入電網(wǎng)的諧波數(shù)量。這稱為無(wú)源PFC，它使用低通濾波器來(lái)濾除高次諧波，理想情況下僅保留50Hz基波（見(jiàn)圖10）。在實(shí)際應(yīng)用中，這種方法改善設(shè)備功率因數(shù)的效率較低，也不適用于大功率方案，因?yàn)樘砑拥碾娙莺碗姼袝?huì)造成效率、尺寸和重量方面的損耗。它通常不會(huì)用于功率超過(guò)數(shù)百瓦的應(yīng)用。
圖10：DCM模式下的有源PFC、輸出電流波形（左）和無(wú)源PFC濾波器頻率響應(yīng)（右）
有源功率因數(shù)校正。這種方法可以改變電流波形的形狀，使其跟隨電壓。 這樣，諧波被移到更高的頻率上，因而更容易被濾除。使用最廣泛的有源功率因數(shù)校正電路是升壓變換器（見(jiàn)圖11）。它與變壓器類似，可以升高直流電壓，同時(shí)降低電流。最簡(jiǎn)單的升壓變換器由電感、晶體管和二極管組成。
圖11：帶有源PFC電路的開(kāi)關(guān)模式AC / DC電源
升壓變換器有兩個(gè)工作階段。在第一個(gè)階段，當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電感通過(guò)電壓源充電（在這種情況下，電壓來(lái)自整流器）；當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電感將先前存儲(chǔ)的電流注入電路，以增加輸出電壓，同時(shí)還為電容充電，電容負(fù)責(zé)在電感充電時(shí)維持輸出電壓。
如果開(kāi)關(guān)頻率足夠高，則電感和電容都不會(huì)完全放電，并且輸出端負(fù)載電壓始終高于輸入電壓源。這就是連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）。開(kāi)關(guān)閉合的時(shí)間越長(zhǎng)（即晶體管導(dǎo)通的時(shí)間越長(zhǎng)），輸出端的電壓也越大。如果占空比（相對(duì)于總開(kāi)關(guān)周期的開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間）得到適當(dāng)控制，則輸入電流波形可以整形為正弦波。
但是，并非所有PFC變換器都采用連續(xù)導(dǎo)通模式。還有另一種方法，盡管犧牲了最終的功率因數(shù)質(zhì)量，但開(kāi)關(guān)損耗更少，電路成本更低，這種方法稱為邊界導(dǎo)通模式（BCM）或臨界導(dǎo)通模式。它可以在電感完全放電時(shí)切換晶體管（參見(jiàn)圖12），即零電流開(kāi)關(guān)（ZCS）。零電流開(kāi)關(guān)使升壓變換器中的二極管能夠更快、更輕松地改變極性，從而降低了對(duì)高質(zhì)量、高成本組件的需求。
圖12: 連續(xù)導(dǎo)通模式（左）和邊界導(dǎo)通模式（右）下的PFC電感、晶體管和二極管電流
變換器跟蹤輸入電壓，使輸出電流看起來(lái)就像頻率為50Hz的正弦波，但其波形仍然與純正弦波相差很大，因此邏輯上它仍有大量諧波分量。由于諧波分量為開(kāi)關(guān)頻率的倍數(shù)，比50Hz基頻高很多（50kHz至100kHz），因此可以很容易地被濾除。這顯著提高了功率因數(shù)，可以使開(kāi)關(guān)電源的PF值高達(dá)0.99。
MPS提供的MP44010控制器即為一款BCM功率因數(shù)校正器。當(dāng)連接到升壓變換器時(shí)，其ZCS引腳檢測(cè)電感何時(shí)放電并激活MOSFET（如圖13中的Q1）。該器件還可以比較電流和電壓，調(diào)整電流峰值以跟隨輸入電壓的波形。
圖13: MP44010典型應(yīng)用電路
總結(jié)
功率因數(shù)是任何一個(gè)電子設(shè)備設(shè)計(jì)中都要考慮的關(guān)鍵因素，尤其是在AC / DC電源應(yīng)用中。但選擇正確的PFC電路需要做許多權(quán)衡考慮。
首先，要檢測(cè)低功率因數(shù)是由位移還是失真引起的。然后，根據(jù)電路中的功率大小，選擇有源或無(wú)源PFC。對(duì)于有源PFC，設(shè)計(jì)人員需要在效率與功率因數(shù)質(zhì)量之間做出權(quán)衡，選擇變換器的工作模式為連續(xù)導(dǎo)通模式或者邊界導(dǎo)通模式。
無(wú)論采用哪種解決方案，MPS都有現(xiàn)成的PFC控制器可選，我們的工程師也隨時(shí)準(zhǔn)備著協(xié)助您解決問(wèn)題。
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