如今,“節(jié)能化”已成為全球共同面臨的課題,對于電子設(shè)備的功耗要求也越來越高,不僅要求削減運(yùn)行時的功耗,對降低待機(jī)功耗也有嚴(yán)格的要求。另外,為了削減供電過程中的浪費(fèi),內(nèi)置PFC(功率因數(shù)校正)功能已成為標(biāo)配。然而,使用PFC尤其會導(dǎo)致待機(jī)時和輕負(fù)載時的效率下降,從而使設(shè)備設(shè)計時“功率因數(shù)”和“效率”的矛盾權(quán)衡成為一個很大的課題。
在這種背景下,ROHM采用獨(dú)有的電源控制技術(shù),開發(fā)出同時改善了設(shè)備的功率因數(shù)并提高了待機(jī)時效率的AC/DC轉(zhuǎn)換器IC。就改善功率因數(shù)和提高效率的課題及其解決方法,我們采訪了ROHM株式會社的負(fù)責(zé)工程師。
-我們直接進(jìn)入主題,此次的主題是“功率因數(shù)改善和輕負(fù)載時的高效率兼顧”,因此,請您先簡單介紹一下“功率因數(shù)”和“效率”可以嗎?
近年來,“效率”一詞已被廣泛使用,可“功率因數(shù)”這個詞可能很少被公眾使用。
效率是輸出功率與輸入功率的比值,大多數(shù)情況下用“%”來表示。舉個簡單的例子,當(dāng)電源的輸出功率為60W時,如果輸入功率(功耗)為80W,則通過60W/80W得出效率為75%。這應(yīng)該是很容易理解的。
而功率因數(shù)涉及到交流的視在功率、有功功率、無功功率,可能稍微有些復(fù)雜。功率因數(shù)本身是有功功率與視在功率的比值,最大值為1。功率因數(shù)多用0.9或0.95之類的小數(shù)來表示。視在功率是電力公司傳輸電力的功率,也稱“表觀功率”。有功功率是指設(shè)備(即負(fù)載)使用的功率。比如,以前面提到的電源為例,如果電源(設(shè)備)使用(消耗)的功率(有功功率)為80W,為了確保這80W,假設(shè)電力公司傳輸電力的功率(視在功率)為100W,則通過80W/100W計算得出功率因數(shù)為0.8。
由于是交流電,所以功率因數(shù)可通過矢量來分析。設(shè)交流電的電壓和電流相位為θ,則功率因數(shù)可通過COSθ求出,在沒有電壓和電流相位差的狀態(tài)下,正弦波的情況下為1。僅通過語言描述比較難懂,所以請看下圖。
負(fù)載為純電阻時,不發(fā)生相位滯后,所以功率因數(shù)為1。有容性負(fù)載或感性負(fù)載時,或波形不是正弦波時,產(chǎn)生相位滯后,功率因數(shù)不是1。下面通過此次的主題—開關(guān)方式AC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入電壓和電流波形來思考一下。
開關(guān)電源中會使用電容來實(shí)現(xiàn)輸入端的交流電壓濾波(稱為“電容輸入型整流濾波”)。這種濾波用的電容,自然就是容性負(fù)載。輸入到該電容的交流電流,僅在輸入交流電壓高于濾波電容電壓時會有,如下圖所示,這種電流中含有導(dǎo)通角小、脈沖一樣的非正弦波高頻分量。
在這種狀態(tài)下,即使功耗相同,由于在電源端會流過瞬時大電流,因此設(shè)Cin=100μF、Vin=100Vrms、Po=20W時,輸入電流的峰值為1.4A。功率因數(shù)約為0.5,與功率因數(shù)為1時相比是5倍。所以,對于含有這類高頻分量的非正弦波電流的負(fù)載來說,需要較大的視在功率,負(fù)責(zé)電力供給的電力公司需要能夠應(yīng)對多余發(fā)電和高峰值功率的設(shè)備,成本也相應(yīng)地增加。
-簡單地說也就是如果設(shè)備電源的功率因數(shù)較差,則需要供給高于其功耗的電力,會導(dǎo)致發(fā)電和輸電過程中的浪費(fèi)增加對吧。
的確如此。針對功率因數(shù)低的問題,世界各國已經(jīng)開始采取措施,比如很多國家對功耗超過指定功率的設(shè)備,執(zhí)行高頻電流法規(guī)等,通過法律法規(guī)來制約。滿足這種法規(guī)的方法之一就是使用功率因數(shù)校正電路(PFC),提高功率因數(shù),抑制高頻電流。在歐洲已經(jīng)規(guī)定75W以上的設(shè)備中必須配備PFC,在日本也是幾乎都已經(jīng)配置PFC。
-PFC是怎樣提高功率因數(shù)的呢?
PFC主要分使用無源元件(電感)的無源型和使用MOSFET等功率開關(guān)的有源型兩種類型。這張圖是利用有源PFC電路改善電流波形的示意圖。具有很高峰值的脈沖一樣的電流波形,經(jīng)過開關(guān)工作斬波后接近正弦波。
在特征方面,無源型PFC的電路結(jié)構(gòu)比較簡單,但難以應(yīng)對更寬的輸入電壓范圍,并且難以小型化。而有源型PFC可以支持廣泛的輸入電壓范圍,在小型化方面也頗具優(yōu)勢。被稱為“PFC控制器”等的IC,當(dāng)然是有源型的。
-接下來,想請您談?wù)劥舜蔚闹黝}“功率因數(shù)改善和高效率兼顧”這個話題,這是否意味著“采用PFC電路的話效率就會下降”?
配置有源方式的PFC電路,相應(yīng)的功耗會增加,效率自然會下降。尤其是如今擁有待機(jī)模式的電子設(shè)備,PFC電路的功耗對待機(jī)的效率影響較為顯著。
針對這個課題,ROHM推出了一款內(nèi)置PFC控制功能的AC/DC轉(zhuǎn)換器用控制器IC“BM1C101F”。BM1C101F采用準(zhǔn)諧振方式,特點(diǎn)是具有可使內(nèi)置PFC控制器在設(shè)置的功率ON/OFF的功能,以及可切換PFC輸出的新控制方式。利用這些技術(shù),不僅可大幅削減待機(jī)功耗,還滿足了國際標(biāo)準(zhǔn)Enegy Star6.0的要求。
功率因數(shù)改善和高效率兼顧的AC/DC轉(zhuǎn)換器控制技術(shù)
來自工程師的聲音
功率因數(shù)改善與高效率兼顧的兩種新控制方式
審核編輯:湯梓紅
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