工程師詳解PFC在電源設(shè)計中的作用

　　在2005年最新的IEC61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)生效以前，大多數(shù)PC、顯示器和電視機(jī)的電源在采用110至120V，60Hz的單相交流電供電時都會產(chǎn)生過量的電源線諧波。在這個更新更嚴(yán)格的IEC標(biāo)準(zhǔn)的推動下，電源廠商開始通過增加功率因數(shù)校正（PFC）來最大限度地減少電源線諧波。

　　為了解IEC61000-3-2的影響，最好先了解一下直接穿過電源線放置負(fù)載電阻（R）的理想情況（圖1）。在這種情況下，正弦線路電流IAC與線路電壓VAC成正比，且與該電壓同相。因此：

　　這意味著，對于效率最高的無失真電源線操作來講，所有的負(fù)載都應(yīng)作為有效電阻（R），而消耗和提供的功率是RMS線路電壓和線路電流的乘積。

　　不過，許多電子系統(tǒng)的負(fù)載都需要交流到直流的轉(zhuǎn)換。在這種情況下，典型電源的電源線上的負(fù)載由一個驅(qū)動電容的橋式二極管組成（圖2）。它是電源線的非線性負(fù)載，因?yàn)榇?a target="_blank">橋式整流器的兩個二極管都位于輸入交流電源線電壓的正半周期或負(fù)半周期的直接電源通路中。此非線性負(fù)載僅在正弦電源線電壓的峰值期間汲取電源線電流，這樣會產(chǎn)生“多峰”輸入電源線電流，從而引起電源線諧波（圖3）。

　　非線性負(fù)載可使諧波大小與線路頻率下的基本諧波電流具有可比性。圖4顯示了相對于線路頻率下的基本諧波大小進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的高階諧波電流大小。不過，只有圖1 中給出的在與線路頻率相同的頻率下且與電源線電壓同相的諧波電流（在此案例中為線路頻率下的基本諧波）對提供給負(fù)載的平均功率起作用。這些諧波電流會影響同一電力線上的其他設(shè)備的工作情況。

　　如果θ=0°，則cosθ = 1且P = IRMS * VRMS，這與電阻負(fù)載的情況相同。當(dāng)PF為1時，負(fù)載消耗電源提供的所有能量。

　　如果θ=90°，則cosθ = 0；因此負(fù)載收到的功率為零。提供功率的發(fā)電機(jī)必須提供IRMS * VRMS的功率（即使沒有功率用于做有用功）。

　　因此，對于圖2中的二極管橋式電容器案例，式2的PF定義中剩下的唯一一個變量就是線路電流IRMS，因?yàn)榫€路電壓（VRMS）已通過電源線發(fā)電機(jī)固定至120V。電源線為提供給負(fù)載的給定平均功率而汲取的IRMS越高，功率因數(shù)（PF）就越低。圖2中的AC-DC轉(zhuǎn)換器采用120V的交流電源線電壓供電，并向負(fù)載提供600W的功率，同時汲取10A的線路電流，該轉(zhuǎn)換器的PF = 0.5。不過，圖1中PF為1的電阻負(fù)載僅從電源線中汲取5A的電流（該負(fù)載從120V交流電源線中汲取600W的功率）。

　　電力公司會因低PF負(fù)載而遭受損失，這是因?yàn)殡娏颈仨毺峁└叩陌l(fā)電能力，從而滿足由于負(fù)載的低PF而產(chǎn)生的更大的線路電流的要求。不過電力公司只會按提供的平均功率（單位為瓦特）向用戶收費(fèi)——而不是按產(chǎn)生的伏安收費(fèi)。

　　伏安與瓦特之間的這種差別要么以發(fā)熱的形式出現(xiàn)，要么反過來體現(xiàn)到交流電源線上。校正這種情況的最常見方法是采用功率因數(shù)校正。