回歸基礎(chǔ)：功率因數(shù)是指什么？為什么一定要校正？

今天的商業(yè)、工業(yè)、零售甚至是家庭環(huán)境使用的電子設(shè)備越來(lái)越多，如個(gè)人電腦、顯示器、服務(wù)器和復(fù)印機(jī)等，這些通常都由開(kāi)關(guān)電源 (SMPS) 供電。如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，就會(huì)產(chǎn)生非線性負(fù)載，可能將出現(xiàn)的諧波電流或電壓強(qiáng)加給主電網(wǎng)。諧波不僅可損壞該網(wǎng)絡(luò)中的線纜及設(shè)備，而且還可損壞連接至其上的其它設(shè)備?？赡艹霈F(xiàn)的問(wèn)題包括過(guò)熱及火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)、高電壓與循環(huán)電流、設(shè)備故障和組件故障以及其他可能出現(xiàn)的后果。如果一個(gè)非線性負(fù)載的功率因數(shù)很差，就很容易產(chǎn)生這些諧波。其它負(fù)載可能會(huì)在不產(chǎn)生諧波的情況下，呈現(xiàn)很差的功率因數(shù)。本文著重討論上述問(wèn)題、致使產(chǎn)生破壞性諧波的情況，以及減少該諧波的實(shí)際方法。

造成較差功率因數(shù)的兩大原因

按最簡(jiǎn)單的方式講，我們可以說(shuō)一個(gè)電氣設(shè)備或電子器件的功率因數(shù)是它從市電獲得的功率和它實(shí)際消耗的功率之比?！袄硐搿逼骷墓β室驍?shù)是 1.0，其將消耗它所獲得的所有電能。它將呈現(xiàn)一個(gè)全電阻的線性負(fù)載：也就是說(shuō)，一個(gè)不受輸入電壓影響而保持恒定的負(fù)載，沒(méi)有明顯的電感或電容。圖 1 是這種器件將出現(xiàn)的輸入波形。首先，電流波形與電壓處于相同的相位，其次，這兩種波形均為正弦波形。

圖 1：PF = 1.0 的器件的輸入電壓及電流波形

在實(shí)踐中，有些器件確實(shí)有一致的功率因數(shù)，但有些器件卻沒(méi)有。器件功率因數(shù)差的原因有兩個(gè)：要么它引出的電流與電源電壓異相，要么它引出電流采用的波形是非正弦的。異相情況即所謂的“位移”功率因數(shù)，通常與工業(yè)設(shè)備內(nèi)部的電機(jī)有關(guān)，而非正弦情況即所謂的“失真”功率因數(shù)，通常與由開(kāi)關(guān)電源 (SMPS) 驅(qū)動(dòng)的個(gè)人電腦、復(fù)印機(jī)及電池充電器等電子設(shè)備有關(guān)。我們先簡(jiǎn)要地了解一下位移功率因數(shù)，然后再討論失真情況，這是電子電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員更迫切了解的問(wèn)題。然而，了解這兩種情況非常重要。例如，一些工程課程只從電機(jī)的角度討論功率因數(shù)問(wèn)題，當(dāng)學(xué)生后來(lái)遇到 SMPS 所表現(xiàn)出的較差功率因數(shù)時(shí)，就會(huì)感到困惑。

電機(jī)和位移功率因數(shù)問(wèn)題

電機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)大的磁場(chǎng)，其可產(chǎn)生與所用電壓相反的電壓或逆電動(dòng)勢(shì)。這可導(dǎo)致電源電流滯后于所用的電壓。所帶來(lái)的異相電流組件無(wú)法提供可用的電源，但它增加了設(shè)施所需的供電能力和電力成本。在電機(jī)之間安裝電容器，可減少相位滯后，提高其功率因數(shù)。

SMPS 與失真功率因數(shù)問(wèn)題

位移功率因數(shù)負(fù)載不會(huì)引起諧波及其相關(guān)問(wèn)題，但 SMPS 等失真功率因數(shù)負(fù)載則會(huì)引起這些問(wèn)題，除非改善了其功率因數(shù)。

SMPS 的 AC 前端通常包括一個(gè)橋式整流器，其后是一個(gè)大型濾波電容器。當(dāng)線路電壓超過(guò)電容的電壓時(shí)，該電路才會(huì)使用交流主電路的電流。這將導(dǎo)致交流電流流動(dòng)間斷，產(chǎn)生如圖 2 所示的非正弦電流波形。

圖 2：功率因數(shù)差的 SMPS 所帶來(lái)的非正弦電流波形

可使用傅里葉變換（一種數(shù)學(xué)過(guò)程）分析該波形，并將其分解成一組正弦分量，其中包括基本頻率（歐洲為 50Hz，美國(guó)為 60Hz）和一組基本頻率的奇數(shù)倍數(shù)，即所謂的諧波。三次諧波為 150Hz（或 180Hz），五次諧波為 250Hz（300Hz），等等。圖 3 是電子 SMPS 負(fù)載的典型諧波頻譜?；痉至勘?SMPS 有效消耗，而諧波是無(wú)功的，其會(huì)帶來(lái)上述問(wèn)題?；ǚ蹬c所有諧波幅值之和之比，給出了器件的功率因數(shù)。

圖 3：電子 SMPS 負(fù)載的典型諧波頻譜

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)有一個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，為產(chǎn)品主諧波的產(chǎn)生描述和設(shè)定可接受的限度。在歐盟內(nèi)部，其參考標(biāo)準(zhǔn)為 IEC61000-3-2，涵蓋從 75W 到 600W 的設(shè)備功率級(jí)。該標(biāo)準(zhǔn)將設(shè)備分為 A、B、C 和 D 四類。D 類包括個(gè)人電腦、個(gè)人電腦顯示器和電視接收器。

成熟 PFC 解決方案和創(chuàng)新 PFC 解決方案

雖然有無(wú)源功率因數(shù)解決方案，但一般行業(yè)觀點(diǎn)是，有源設(shè)計(jì)可提供最佳的功率因數(shù)改進(jìn)。這些一般都建立在升壓轉(zhuǎn)換器技術(shù)基礎(chǔ)之上，如圖 4 所示。

圖 4：采用升壓技術(shù)的有源功率因數(shù)校正電路

圖 5：有源升壓電路的電壓及電流波形

為此，控制電路使用輸入電壓波形作為模板?？刂齐娐窚y(cè)量輸入電流，將其與輸入電壓波形進(jìn)行比較，并調(diào)整升壓電壓，以產(chǎn)生相同形狀的輸入電流波形 (5–I)。同時(shí)，控制電路還可監(jiān)控母線電壓并調(diào)整升壓，以維持粗略穩(wěn)壓的 DC 輸出 (5–B)。控制電路的主要功能是提供正弦輸入電流，所以允許 DC 母線電壓略有不同。

使用有源功率因數(shù)校正電路使得輸入電流很少出現(xiàn)不連續(xù)性，因此從線路中引出的輸入電流的失真和諧波含量較低。然而，Vicor 最近基于其最新動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換器架構(gòu)推出了一款模塊化 AC 前端，稱為自適應(yīng)單元。

該 AC 前端為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了許多改進(jìn)功能。具體來(lái)說(shuō)，它可提供 85V 至 264VAC 通用輸入、高效率和高功率密度，還特別考慮到了它是一個(gè)完整的解決方案，包括隔離穩(wěn)壓 DC 輸出以及整流及功率因數(shù)校正等。該器件可減少 AC 線路諧波的傳播，改善系統(tǒng)和設(shè)施層面的整體電源質(zhì)量。總諧波失真好于 EN61000-2-3 要求，而高開(kāi)關(guān)頻率和諧振轉(zhuǎn)換則可簡(jiǎn)化外部濾波和 滿足EMI 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

審核編輯 黃昊宇