功率因素校正对效率的重要性及PFC解决方案

随着消费者越来越关注公用事业账单的规模，企业主希望遏制螺旋式增长的运营费用，能源使用和效率水平受到了前所未有的严格审查。日益重要的环境因素进一步加剧了所有这些问题，人们普遍认识到，效率低下的设备会产生废热，最终将产生有害的生态影响。

在电力电子领域，转换效率一直是讨论的关键主题，也是任何数据表中的主要参数之一。为了以最有利的方式展示其产品，电源制造商通常会引用“最佳可能”数字，该数字通常是负载约为80％时的单个值。但是，应注意，在实际应用中，所汲取的功率可能根本不在此水平。

负载可能会大幅波动-取决于它们的运行方式，在冗余配置中，消耗的功率将始终低得多（除非发生故障情况）。这意味着系统的实际效率可能远远小于引用的效率值所暗示的。

认识到这种情况的严重性，标准机构，行业团体和政府机构制定了新的能源指南。这些准则通常采用引用效率曲线的形式，该曲线规定了从20％到满负载的所有运行负载的最低可接受效率水平。因此，设计工程师已经能够评估电力系统中的基本组成部分，以识别将在何处发生损失，然后采取措施消除损失，从而确保满足新的效率准则。功率因数校正（PFC）在解决潜在损失的来源方面至关重要，应相应地实施。

了解电力系统的损失

无电源系统将是完美的效率，而现代的开关半导体器件现在可提供前所未有的性能水平，但在操作过程中始终会

传导损耗包括由桥式二极管的正向电压引起的损耗，该正向电压与系统功率以及诸如MOSFET和IGBT等开关器件的导通电阻成比例。这些与整个系统功率的平方成正比。由于它们会随着输出功率的增加而增加，因此它们倾向于在更接近满负载的情况下发挥更大的作用。传统上，这里是最关注的焦点。

第二类损耗是开关损耗。随着设计工程师努力提高功率密度水平并减小系统尺寸，开关频率不断提高，从而减小了集成到系统中的笨重磁性元件的尺寸。开关损耗与寄生电容（例如开关器件栅极中的寄生电容）不断充电有关。它们与开关频率成正比，并且在整个工作功率范围内保持一致。这些损耗往往在较低的功率水平上最为普遍，这会对系统效率产生重大影响。

那么，PFC为什么对效率如此重要？

电力公司提供的所有电网电源都是交流电，并且电压波形始终为正弦波。但是，电流波形的形状和相位不一定是正弦波，而是由供电负载决定的。对于最简单的纯电阻负载（例如加热元件），负载电流与电压同相并保持正弦曲线。在这种情况下，计算输出的功率仅是将电压和电流相乘的问题。

其他类型的负载（例如电动机）可能包括电抗组件（感性或容性）。在这种情况下，当电流波形保持正弦波状时，它将相对于电压波形发生相移，而负载中的电抗量将决定相移量。功率计算需要考虑相位，因此有效功率由以下公式确定：

有功功率= V * I * cos（Φ）

这里f表示电压和电流波形之间的相角，而cos（Φ）被称为“位移因数”。在电阻性负载中，电流和电压在同相中cos（Φ）的值为1 –表示正常功率仍然是电压和电流的乘积。但是，实际负载通常不是那么简单，尤其是在负载是开关电源（SMPS）的情况下。这些单元通常具有二极管桥式整流器和浪涌电容器，这将导致电流波形失去其正弦形状并变成一系列尖峰。

当波形失真且不再是正弦波时，将使用与波形的总谐波失真（THD）关联的“失真因子”（cos（Θ））计算有功功率。因此，在电流和电压同相但电流波形非正弦的系统中，适用以下公式：

有功功率= V * I * cos（Θ）

在电流波形既有相移又有失真的情况下，情况会变得有些复杂。在此，必须同时应用位移因子和失真因子：

有功功率= V * I * cos（Θ）* cos（Φ）

任何系统的功率因数仅是两个因素的乘积：

功率因数= cos（Θ）* cos（Φ）

实际上，这意味着电压和电流之间的相位差越大，或者电流波形越失真，功率因数就越低，因此有功功率就越低。由于功率因数也会影响效率，因此这现在是功率设计人员需要解决的关键领域。

需要校正功率因数

相对复杂的数学表明，如果频率相同，将两个正弦波形相乘只能得到大于零的值。结果，可以推断出谐波电流对系统的有用输出功率没有贡献，应该减少或消除。

正是这被大多数人认为是主要的PFC标准EN 61000-3-2所采用的方法。与许多现代效率规格（包括美国环境保护署（EPA）的能源之星）一样，EN61000-3-2试图通过定义严格的谐波电流限制来降低电流波形的THD，直到40次谐波为止。

实现PFC的最常见方法是，使用市售PFC控制器中的几种常见控制方案之一，在桥式整流器和大容量电容器之间插入一个有源级。可能最广泛使用的控制方案是连续传导模式（CCM），该模式以固定频率运行，并且经常在功率更高（》 300W）的系统中找到。流行的替代方法是临界传导模式（CrM）控制。通过仅在电感器电流降至零时才进行开关，从而无需快速恢复二极管。这降低了系统成本，但导致了可变的开关频率。 CrM在低功率系统（例如照明系统）中特别普遍。

图1：安森美半导体的FL7921R QR电流模式照明控制器

PFC控制方案还有进一步的增强，其目的是提供更高的效率，例如将工作频率限制在定义的范围内。一些控制方案响应于负载变化而改变传导模式，以确保实现最佳效率。

实用的PFC解决方案

尽管可以使用分立组件从头开始设计PFC机制，但这很少见。大多数工程师会选择使用内置有PFC控制方案的现成控制IC。安森美半导体的FL7921R CrM照明控制器是一种高度集成的器件，将PFC控制器与准谐振（QR）PWM控制器结合在一起。它采用受控导通时间技术来提供稳定的DC输出，执行自然的PFC。该IC包括一个THD优化器，可减少过零时的输入电流失真，从而提高功率因数。 PFC功能始终处于打开状态，以确保始终在包括最重要的轻负载下始终充分优化功率因数（图1和2）。

图2：FL7921R的功能框图（来源：安森美半导体）

图3：STMicroelectronics的STNRGPFx2双通道交错式PFC控制器。 （来源：意法半导体）

意法半导体（STMicroelectronics）的STNRGPFx2适用于焊接，工业电动机，电池充电器和电源等高功率PFC升压应用，是一种两通道交错式CCM PFC数字控制器。该固定频率设备能够驱动两个交错的PFC通道，并具有浪涌电流限制，以及诸如分相操作之类的更复杂的功能。使用意法半导体的eDesignSuite，客户可以快速轻松地配置该设备（图3）。

总结

管理和控制现代电力系统的功率因数是提高所有工作条件下效率的关键，包括传统上效率非常低的轻负载。在具有挑战性的效率指标的驱动下，由于消费者和公司越来越意识到运营成本以及废能源对环境的不利影响，充足的PFC现在已成为关键的采购要求。幸运的是，有许多高度集成的控制器可供使用，使工程师可以轻松实现各种复杂的PFC方案以适合其特定应用。

责任编辑：gt