實現(xiàn)新效率目標的基本要素

能源使用和效率水平正受到比以往任何時候都更嚴格的審查，因為消費者越來越關(guān)心他們的水電費的規(guī)模，而企業(yè)主希望遏制他們不斷上升的運營費用。所有這一切都因日益重要的環(huán)境因素而進一步惡化，人們普遍認識到低效設(shè)備會產(chǎn)生廢熱，最終會對生態(tài)產(chǎn)生不利影響。

在電力電子領(lǐng)域，轉(zhuǎn)換效率一直是討論的關(guān)鍵話題，也是任何數(shù)據(jù)表中的主要參數(shù)之一。為了以最有利的方式展示他們的產(chǎn)品，電源制造商通常會引用“最佳”數(shù)字，這通常是大約 80% 負載時的單一值。然而，應(yīng)該注意的是，在實際應(yīng)用中，所消耗的功率可能根本不在這個水平上。

負載可能會發(fā)生顯著波動——這取決于它們的運行方式，并且在冗余配置中，所消耗的功率始終會低得多（除非發(fā)生故障情況）。這意味著系統(tǒng)的實際效率可能遠低于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(gòu)、行業(yè)團體和政府機構(gòu)制定了新能源指南。這些指南通常采用引用效率曲線的形式，這些曲線規(guī)定了所有運行負載（從 20% 到滿負載）的最低可接受效率水平。因此，設(shè)計工程師已經(jīng)能夠評估電力系統(tǒng)中的基本構(gòu)建塊，以確定會發(fā)生損耗的位置，然后采取行動消除它們，從而確保滿足新的效率準則。功率因數(shù)校正 （PFC） 對于解決潛在損耗源至關(guān)重要，應(yīng)相應(yīng)實施。

了解電力系統(tǒng)中的損耗

無電源系統(tǒng)將非常高效，雖然現(xiàn)代開關(guān)半導(dǎo)體器件現(xiàn)在提供前所未有的性能水平，但在運行過程中總會有一些損失，從而導(dǎo)致效率水平降低。在電力系統(tǒng)中，有兩種類型的損耗需要注意：開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗。

傳導(dǎo)損耗包括橋式二極管正向電壓引起的損耗，它與系統(tǒng)功率和開關(guān)器件（如 MOSFET 和 IGBT）的導(dǎo)通電阻成正比。這些與整個系統(tǒng)功率的平方成正比。由于它們會隨著輸送的功率而增加，因此它們在接近滿載的情況下往往會產(chǎn)生更大的影響。傳統(tǒng)上，最集中的地方曾經(jīng)應(yīng)用在這里。

第二種損耗是開關(guān)損耗。隨著設(shè)計工程師努力提高功率密度水平并減小系統(tǒng)尺寸，開關(guān)頻率不斷增加，從而可以減小系統(tǒng)中包含的龐大磁性組件的尺寸。開關(guān)損耗與寄生電容（例如在開關(guān)器件柵極中發(fā)現(xiàn)的那些）的不斷充電有關(guān)。這些與開關(guān)頻率成正比，并且在整個工作功率范圍內(nèi)保持一致。這些損耗往往在較低功率水平下最為普遍，它們會對系統(tǒng)效率產(chǎn)生重大影響。

那么為什么 PFC 對效率如此重要呢？

公用事業(yè)公司提供的所有電網(wǎng)電源都是交流電，電壓波形始終為正弦波。然而，電流波形的形狀和相位不一定是正弦的，而是由被供電的負載決定的。對于最簡單的純電阻負載，例如加熱元件，負載電流與電壓同相并保持正弦。計算在這種情況下提供的功率僅僅是將電壓和電流相乘的問題。

其他類型的負載，例如電機，可能包括電抗組件（電感或電容）。在這種情況下，雖然電流波形保持正弦曲線，但它將相對于電壓波形發(fā)生相移，負載中的電抗量決定相移量。功率計算需要考慮相位，因此有功功率由下式確定：

有功功率 = V * I * cos（Φ）

這里 f 代表電壓和電流波形之間的相位角，cos（Φ） 被稱為“位移因子”。在阻性負載中，電流和電壓在 cos（Φ） 相位中的值為 1——這意味著有功功率仍然是電壓和電流的乘積，正常情況下。然而，實際負載通常不會那么簡單，尤其是在負載是開關(guān)模式電源 （SMPS） 的情況下。這些單元通常有一個二極管橋式整流器和浪涌電容器，這會導(dǎo)致電流波形失去其正弦形狀并變成一系列尖峰。

由于波形失真且不再是正弦波，因此使用與波形的總諧波失真 （THD） 相關(guān)聯(lián)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(tǒng)中，適用以下公式：

有功功率 = V * I * cos（Θ）

在電流波形同時發(fā)生相移和失真的情況下，事情會變得稍微復(fù)雜一些。這里必須同時應(yīng)用位移因子和失真因子：

有功功率 = V * I * cos（Θ） * cos（Φ）

任何系統(tǒng)的功率因數(shù)只是兩個因素的乘積：

功率因數(shù) = 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(shù)越低，因此有功功率越低。由于功率因數(shù)也會影響效率，這現(xiàn)在是電源設(shè)計人員需要解決的一個關(guān)鍵領(lǐng)域。

修正功率因數(shù)的必要性

相對復(fù)雜的數(shù)學(xué)將表明，如果頻率相同，將兩個正弦波形相乘只能給出大于零的值。因此，可以推斷諧波電流對系統(tǒng)的有用輸出功率沒有貢獻，應(yīng)該減少或消除。

這正是被大多數(shù)人認為是主要 PFC 標準 EN 61000-3-2 所采用的方法。與包括美國環(huán)境保護署 （EPA） 能源之星在內(nèi)的許多現(xiàn)代效率規(guī)范一樣，EN61000-3-2 旨在通過定義諧波電流的嚴格限制來降低電流波形的 THD，直至 40次諧波。

實現(xiàn) PFC 的最常見方法是在橋式整流器和大容量電容器之間插入一個有源級，使用商用 PFC 控制器中的幾種常見控制方案之一?？赡茏顝V泛使用的控制方案是連續(xù)傳導(dǎo)模式 （CCM），它以固定頻率運行，通常用于更高功率 （》300W） 的系統(tǒng)中。一種流行的替代方法是臨界傳導(dǎo)模式 （CrM） 控制。這通過僅在電感器電流降至零時才切換，從而無需快速恢復(fù)二極管。這會降低系統(tǒng)成本，但會導(dǎo)致開關(guān)頻率可變。CrM 在低功率系統(tǒng)中尤其普遍，例如用于照明的系統(tǒng)。

PFC 控制方案有進一步的增強，其目標是提供更高程度的效率，例如將工作頻率限制在定義的范圍內(nèi)。一些控制方案會根據(jù)負載變化改變導(dǎo)通模式，以確保達到最佳效率。

實用的 PFC 解決方案

雖然可以使用分立元件從頭開始設(shè)計 PFC 機制，但這種情況很少發(fā)生。大多數(shù)工程師會選擇使用內(nèi)置 PFC 控制方案的現(xiàn)成控制 IC。 ON Semiconductor 的 FL7921R CrM 照明控制器是一種高度集成的器件，它結(jié)合了 PFC 控制器和準諧振 （QR） PWM 控制器。 它采用受控導(dǎo)通時間技術(shù)提供穩(wěn)壓直流輸出，執(zhí)行自然 PFC。該 IC 包括一個 THD 優(yōu)化器，可減少過零處的輸入電流失真，從而提高功率因數(shù)。PFC 功能始終開啟以確保功率因數(shù)始終得到充分優(yōu)化，包括在所有重要的輕負載下（圖 1 和 2）。

圖 2：FL7921R 的功能框圖

STMicroelectronics 的 STNRGPFx2 是一款雙通道交錯式 CCM PFC 數(shù)字控制器，旨在用于更高功率的 PFC 升壓應(yīng)用，例如焊接、工業(yè)電機、電池充電器和電源。這種固定頻率器件能夠驅(qū)動兩個交錯的 PFC 通道，包括浪涌電流限制，以及更復(fù)雜的功能，如切相操作。使用 STMicroelectronics 的 eDesignSuite，客戶可以快速輕松地配置設(shè)備。

概括

管理和控制現(xiàn)代電力系統(tǒng)的功率因數(shù)是提高所有運行條件下效率的關(guān)鍵，包括傳統(tǒng)上效率非常低的輕負載。在具有挑戰(zhàn)性的效率規(guī)范的推動下，隨著消費者和公司越來越意識到運營成本和浪費能源對環(huán)境的不利影響，充足的 PFC 現(xiàn)在是一項關(guān)鍵的采購要求。幸運的是，有許多高度集成的控制器可供工程師使用，使工程師能夠輕松實施各種復(fù)雜的 PFC 方案，以適應(yīng)他們的特定應(yīng)用。

審核編輯：郭婷