功率因數校正對實現新能效目標的重要性

2020-12-27 EDN電子設計技術

鑑於消費者越來越關注其電費支出，企業業主也希望遏制其螺旋式上升的運營成本，因此能源使用和能效水平正在受到比以往更加嚴格的審查。所有這一切都會因為日益重要的環境因素而進一步加強，人們普遍認識到，低能效電子設備產生的廢熱最終會對生態產生不利影響。Z0Eednc

在電力電子領域，轉換效率一直是討論的重要話題，也是任何數據表中的關鍵參數之一。為了在最有利的條件下展示他們的產品，電源製造商通常會引用「最佳」的數字，一般是在大約80％負載下的能效指標。但是，需要注意的是，在實際應用中，系統所消耗的功率可能根本不是這個水平。Z0Eednc

負載可能會上下顯著波動，取決於具體應用的運行方式，並且在冗餘配置中，所消耗的功率將總是比峰值低很多（除非出現故障情況）。這意味著系統的實際能效可能遠低於所引用的值。Z0Eednc

認識到這種情況的嚴重性後，標準機構、行業組織和政府組織都制定了新的能源規範。這些指導文件中通常引用所有工作負載（從20％到滿負載）範圍內最低能效水平的曲線，因此，設計工程師能夠評估功率系統中的基本構建模塊，以確定發生損耗的位置，然後採取措施消除這些損耗，從而確保滿足新的能效要求。功率因數校正（PFC）對於解決潛在損耗源問題至關重要，因此應予以實施。Z0Eednc

電源系統損耗

無損耗的電源系統當然具備完美的能效指標，雖然現代開關式半導體器件已經能夠提供前所未有的性能指標，但在工作期間總會有一些損耗，從而導致能效水平降低。在電源系統中，需要注意的是兩種類型的損耗：開關和傳導。Z0Eednc

傳導損耗包括由橋式二極體正向電壓引起的損耗，其與系統功率和MOSFET和IGBT等開關組件的導通電阻成比例。這些損耗與整個系統功率的平方成正比，隨著輸出功率的增加，損耗也會增大，損耗往往在更接近滿載的情況下具有更大影響。傳統上，過去的應用焦點也集中於此。Z0Eednc

第二種損耗是開關損耗。隨著設計工程師努力提高功率密度水平並縮小系統尺寸，開關頻率不斷增高，從而可以減小系統中大型磁性組件的尺寸。開關損耗與寄生電容的不斷再充電有關（例如在開關組件柵極中出現的情況）。這些損耗與開關頻率成比例，並且在整個工作功率範圍內保持一致。這些損耗往往在較低功率水平下最為普遍，可能對系統能效產生重大影響。Z0Eednc

為什麼PFC對能效如此重要？

公用事業公司提供的所有電網電力均為交流電，電壓波形始終為正弦波。然而，電流波形和相位卻不一定是正弦波，這取決於供電系統負載。對於加熱組件等最簡單的純電阻負載，負載電流與電壓同相併保持為正弦波，在這種情況下計算輸出功率僅僅是將電壓和電流相乘。Z0Eednc

而對於馬達等他類型負載，可以包括無功分量（電感或電容）。在這種情況下，當電流波形保持為正弦波時，它將相對於電壓波形有相移，其中負載中的電抗量確定相移大小。功率計算需要考慮相位，因此實際功率由下式確定：Z0Eednc

實際功率 = V * I * cos(f)Z0Eednc

這裡f表示電壓和電流波形之間的相位差，cos（f）被稱為「位移因子」。在電阻性負載中，電流和電壓具有相同相位，cos（f）的值為1，意味著實際功率與正常情況下一樣，仍然是電壓和電流乘積。然而，實際負載往往不是那麼簡單，特別是負載如果為開關模式電源（SMPS）情況下，這些系統通常具有二極體橋式整流器和湧浪電容器，將導致電流波形失去原來正弦波形狀，並成為一系列尖峰。Z0Eednc

由于波形失真且不再是正弦波，因此使用「失真因子」(cos(q))計算實際功率，失真因子與波形的總諧波失真（THD）相關。因此，在系統中如果電流和電壓同相，但電流波形為非正弦波，以下等式適用：Z0Eednc

實際功率 = V * I * cos(q)Z0Eednc

在電流波形既出現相移又失真下，情況會變得複雜一些，這時必須考慮位移因子和失真因子：Z0Eednc

實際功率 = V * I * cos(q) * cos(f)Z0Eednc

任何系統功率因數都只是兩個因素的乘積結果：Z0Eednc

功率因數 = cos(q) * cos(f)Z0Eednc

在實際應用中，這意味著電壓和電流之間相位差越大，或者電流波形越失真，功率因數越低，因此實際功率越低。由於功率因數也會影響能效，目前這是電源設計人員應對的關鍵領域。Z0Eednc

功率因數校正必要性

通過比較複雜的數學計算表明，如果頻率相同，將兩個正弦波相乘，只能得到一個大於零的值。因此，可以推斷出諧波電流對系統的有用輸出功率沒有貢獻，應該儘量減少或消除。Z0Eednc

這正是為大多數人公認的主體PFC標準EN 61000-3-2所採用的方法，與美國環境保護署（EPA）能源之星（Energy Star）在內的許多現代能效規範一樣，EN61000-3-2旨在通過定義嚴格的諧波電流限制來降低電流波形的THD，直至可以達到40次諧波。Z0Eednc

實現PFC的最常用方法是在橋式整流器和大容量電容器之間插入一個主動級（active stage），可以通過使用市售PFC控制器中的幾種常見控制方案之一來完成。可能最廣泛使用的控制方案是連續導通模式（CCM），以固定頻率運行，並且經常用在更高功率（高於300W）系統。一種流行的替代方案是臨界傳導模式（CrM）控制，這種方式通過僅在電感器電流降至零時進行開關，可省去快速恢復二極體，進而可降低系統成本，但導致可變的開關頻率。CrM在低功率系統中尤其普遍，例如可用於照明系統。Z0Eednc

PFC控制方案還可進一步改進，其目標是提供更高的能效，例如可將工作頻率鉗制在規定範圍內。一些控制方案能夠根據負載變化而改變傳導模式，以確保實現最佳能效。Z0Eednc

實用PFC解決方案

雖然可以使用分立組件從頭開始設計PFC方案，但這種情況卻很少出現，大多數工程師會選擇使用內置PFC控制方案的現成控制IC。安森美半導體（ON Semiconductor）的FL7921R  CrM照明控制器是一款高集成度器件，它將PFC控制器與準諧振（QR）PWM控制器整合在一起，採用受控的導通時間技術，提供穩定的直流輸出，執行自然的PFC。該IC包括一個THD優化電路，可減少過零點處的輸入電流失真，從而提高功率因數。 PFC功能始終處於開啟狀態，以確保功率因數完全優化，其中也包括在重要的輕負載條件。Z0Eednc

圖1：ON Semiconductor FL7921R QR電流模式照明控制器。（來源：安森美半導體）Z0Eednc

圖2：FL7921R的功能模塊圖。（來源：安森美半導體）Z0Eednc

圖3：STMicroelectronics的STNRGPFx2雙通道交錯式PFC控制器。（來源：意法半導體）Z0Eednc

STMicroelectronics的STNRGPFx2是一款雙通道交錯式CCM PFC數字控制器，適用於更高功率的PFC升壓應用，如焊接、工業馬達、電池充電器和電源等。該固定頻率組件能夠驅動兩個交錯式PFC通道，並且具備湧浪電流限制能力，業包括諸如相位消除（phase-shedding）運行等更複雜的功能。使用STMicroelectronics的eDesignSuite，客戶可以快速輕鬆地配置器件。Z0Eednc

總結

管理和控制當今電源系統的功率因數是提高所有運行條件下能效的關鍵，這其中包括傳統上能效非常低的輕負載情況。面對不斷提高的能效指標要求，消費者和企業業主也越來越意識到運營成本壓力和廢棄能源對環境的不利影響，具備足夠的PFC已經成為目前市場中關鍵的採購要求。幸運的是，許多高集成度控制器可幫助工程師輕鬆實現各種複雜的PFC方案，以滿足其特定的應用需求。.Z0Eednc

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