功率因素校正對效率的重要性及PFC解決方案

功率因素校正對效率的重要性及PFC解決方案

咩咩 發表於 2020-01-30 17:37:00

隨著消費者越來越關注公用事業帳單的規模，企業主希望遏制螺旋式增長的運營費用，能源使用和效率水平受到了前所未有的嚴格審查。日益重要的環境因素進一步加劇了所有這些問題，人們普遍認識到，效率低下的設備會產生廢熱，最終將產生有害的生態影響。

在電力電子領域，轉換效率一直是討論的關鍵主題，也是任何數據表中的主要參數之一。為了以最有利的方式展示其產品，電源製造商通常會引用「最佳可能」數字，該數字通常是負載約為80％時的單個值。但是，應注意，在實際應用中，所汲取的功率可能根本不在此水平。

負載可能會大幅波動-取決於它們的運行方式，在冗餘配置中，消耗的功率將始終低得多（除非發生故障情況）。這意味著系統的實際效率可能遠遠小於引用的效率值所暗示的。

認識到這種情況的嚴重性，標準機構，行業團體和政府機構制定了新的能源指南。這些準則通常採用引用效率曲線的形式，該曲線規定了從20％到滿負載的所有運行負載的最低可接受效率水平。因此，設計工程師已經能夠評估電力系統中的基本組成部分，以識別將在何處發生損失，然後採取措施消除損失，從而確保滿足新的效率準則。功率因數校正（PFC）在解決潛在損失的來源方面至關重要，應相應地實施。

了解電力系統的損失

無電源系統將是完美的效率，而現代的開關半導體器件現在可提供前所未有的性能水平，但在操作過程中始終會

傳導損耗包括由橋式二極體的正向電壓引起的損耗，該正向電壓與系統功率以及諸如MOSFET和IGBT等開關器件的導通電阻成比例。這些與整個系統功率的平方成正比。由於它們會隨著輸出功率的增加而增加，因此它們傾向於在更接近滿負載的情況下發揮更大的作用。傳統上，這裡是最關注的焦點。

第二類損耗是開關損耗。隨著設計工程師努力提高功率密度水平並減小系統尺寸，開關頻率不斷提高，從而減小了集成到系統中的笨重磁性元件的尺寸。開關損耗與寄生電容（例如開關器件柵極中的寄生電容）不斷充電有關。它們與開關頻率成正比，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的功率水平上最為普遍，這會對系統效率產生重大影響。

那麼，PFC為什麼對效率如此重要？

電力公司提供的所有電網電源都是交流電，並且電壓波形始終為正弦波。但是，電流波形的形狀和相位不一定是正弦波，而是由供電負載決定的。對於最簡單的純電阻負載（例如加熱元件），負載電流與電壓同相併保持正弦曲線。在這種情況下，計算輸出的功率僅是將電壓和電流相乘的問題。

其他類型的負載（例如電動機）可能包括電抗組件（感性或容性）。在這種情況下，當電流波形保持正弦波狀時，它將相對於電壓波形發生相移，而負載中的電抗量將決定相移量。功率計算需要考慮相位，因此有效功率由以下公式確定：

有功功率= V * I * cos（Φ）

這裡f表示電壓和電流波形之間的相角，而cos（Φ）被稱為「位移因數」。在電阻性負載中，電流和電壓在同相中cos（Φ）的值為1 –表示正常功率仍然是電壓和電流的乘積。但是，實際負載通常不是那麼簡單，尤其是在負載是開關電源（SMPS）的情況下。這些單元通常具有二極體橋式整流器和浪湧電容器，這將導致電流波形失去其正弦形狀並變成一系列尖峰。

當波形失真且不再是正弦波時，將使用與波形的總諧波失真（THD）關聯的「失真因子」（cos（Θ））計算有功功率。因此，在電流和電壓同相但電流波形非正弦的系統中，適用以下公式：

有功功率= V * I * cos（Θ）

在電流波形既有相移又有失真的情況下，情況會變得有些複雜。在此，必須同時應用位移因子和失真因子：

有功功率= V * I * cos（Θ）* cos（Φ）

任何系統的功率因數僅是兩個因素的乘積：

功率因數= cos（Θ）* cos（Φ）

實際上，這意味著電壓和電流之間的相位差越大，或者電流波形越失真，功率因數就越低，因此有功功率就越低。由於功率因數也會影響效率，因此這現在是功率設計人員需要解決的關鍵領域。

需要校正功率因數

相對複雜的數學表明，如果頻率相同，將兩個正弦波形相乘只能得到大於零的值。結果，可以推斷出諧波電流對系統的有用輸出功率沒有貢獻，應該減少或消除。

正是這被大多數人認為是主要的PFC標準EN 61000-3-2所採用的方法。與許多現代效率規格（包括美國環境保護署（EPA）的能源之星）一樣，EN61000-3-2試圖通過定義嚴格的諧波電流限制來降低電流波形的THD，直到40次諧波為止。

實現PFC的最常見方法是，使用市售PFC控制器中的幾種常見控制方案之一，在橋式整流器和大容量電容器之間插入一個有源級。可能最廣泛使用的控制方案是連續傳導模式（CCM），該模式以固定頻率運行，並且經常在功率更高（》 300W）的系統中找到。流行的替代方法是臨界傳導模式（CrM）控制。通過僅在電感器電流降至零時才進行開關，從而無需快速恢復二極體。這降低了系統成本，但導致了可變的開關頻率。 CrM在低功率系統（例如照明系統）中特別普遍。

圖1：安森美半導體的FL7921R QR電流模式照明控制器

PFC控制方案還有進一步的增強，其目的是提供更高的效率，例如將工作頻率限制在定義的範圍內。一些控制方案響應於負載變化而改變傳導模式，以確保實現最佳效率。

實用的PFC解決方案

儘管可以使用分立組件從頭開始設計PFC機制，但這很少見。大多數工程師會選擇使用內置有PFC控制方案的現成控制IC。安森美半導體的FL7921R CrM照明控制器是一種高度集成的器件，將PFC控制器與準諧振（QR）PWM控制器結合在一起。它採用受控導通時間技術來提供穩定的DC輸出，執行自然的PFC。該IC包括一個THD優化器，可減少過零時的輸入電流失真，從而提高功率因數。 PFC功能始終處於打開狀態，以確保始終在包括最重要的輕負載下始終充分優化功率因數（圖1和2）。

圖2：FL7921R的功能框圖（來源：安森美半導體）

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

意法半導體（STMicroelectronics）的STNRGPFx2適用於焊接，工業電動機，電池充電器和電源等高功率PFC升壓應用，是一種兩通道交錯式CCM PFC數字控制器。該固定頻率設備能夠驅動兩個交錯的PFC通道，並具有浪湧電流限制，以及諸如分相操作之類的更複雜的功能。使用意法半導體的eDesignSuite，客戶可以快速輕鬆地配置該設備（圖3）。

總結

管理和控制現代電力系統的功率因數是提高所有工作條件下效率的關鍵，包括傳統上效率非常低的輕負載。在具有挑戰性的效率指標的驅動下，由於消費者和公司越來越意識到運營成本以及廢能源對環境的不利影響，充足的PFC現在已成為關鍵的採購要求。幸運的是，有許多高度集成的控制器可供使用，使工程師可以輕鬆實現各種複雜的PFC方案以適合其特定應用。

責任編輯：gt

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