什么是功率因數(shù)校正？

上世紀(jì)五十年代，針對(duì)感性負(fù)載交流電器電壓和電流不同相位導(dǎo)致供電效率低的問(wèn)題，提出了一種改進(jìn)方法。

圖1 感性負(fù)載下的電壓和電流波形

由于電壓和電流的相位不同，電源線的負(fù)擔(dān)變得更重，電源線的效率降低，這就要求在交流電器上連接一個(gè)電容器來(lái)調(diào)整電壓和電流的相位特性。

例如：

當(dāng)時(shí)，所需的40W熒光燈必須與4.75μF電容器并聯(lián)。當(dāng)電容器連接到感性負(fù)載時(shí)，利用電容器上的電流超前電壓特性來(lái)補(bǔ)償電感器上的電流滯后電壓特性，使整體特性更接近僅包含電阻的電路，從而提高效率，這種方法稱為功率因數(shù)校正/補(bǔ)償。交流電的功率因數(shù)可以用余弦函數(shù)值（cosφ）表示，其中φ是電源電壓和負(fù)載電流之間的相位角。

自1980年代以來(lái)，電器中大量使用了高效開關(guān)模式電源。整流后的開關(guān)電源通常使用大容量的濾波電容器，因此是電器驅(qū)動(dòng)的容性負(fù)載，由于濾波電容器的充放電，在220v電源下，電器兩端產(chǎn)生鋸齒波紋。

濾波電容上的最小電壓遠(yuǎn)非零，與其最大值（紋波峰值）相差不大。根據(jù)整流二極管的單向電導(dǎo)率，只有當(dāng)交流線電壓的瞬時(shí)值高于濾波電容上的電壓時(shí)，整流二極管才因正向偏置而導(dǎo)通;當(dāng)交流輸入電壓的瞬時(shí)值低于濾波電容的瞬時(shí)值時(shí)，整流二極管由于反向偏置而關(guān)斷。

也就是說(shuō)，在交流線路電壓的每個(gè)半周期中，二極管僅在其峰值附近導(dǎo)通。雖然交流輸入電壓仍基本保持正弦波形，但交流輸入電流具有高幅度尖峰，如圖2所示。這種嚴(yán)重失真的電流波形包含大量的諧波，導(dǎo)致線路功率因數(shù)嚴(yán)重下降。

圖2 先前的正弦波形出現(xiàn)高幅度尖峰

在正半周期（1800）中，整流二極管的導(dǎo)通角遠(yuǎn)小于1800甚至低至300-700。

由于負(fù)載功率的要求，在非常窄的導(dǎo)通角下會(huì)產(chǎn)生非常大的導(dǎo)通電流，從而使電源電路中的電源電流被脈沖。它不僅降低了供電效率，而且由于電源線太少或電路負(fù)載過(guò)大而導(dǎo)致交流電壓的波形畸變嚴(yán)重（圖3），并產(chǎn)生多次諧波，從而干擾其他電器的正常運(yùn)行。這就是我們經(jīng)常提到的電磁干擾（EMI）和電磁兼容性（EMC）問(wèn)題。

圖3 容性負(fù)載引起的電壓波形失真

由于電氣設(shè)備已經(jīng)從過(guò)去的感性負(fù)載（早期的電視、收音機(jī)等電源都使用電力變壓器的感性設(shè)備）轉(zhuǎn)變?yōu)閹в姓髌骱蜑V波電容器的容性負(fù)載，因此功率因數(shù)補(bǔ)償不僅意味著解決電源電壓和電流不同相位的問(wèn)題，還有電源電流強(qiáng)脈沖引起的電磁干擾（EMI）和電磁兼容性（EMC）問(wèn)題。

這是上世紀(jì)末發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)技術(shù)，具有開關(guān)電源快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用的背景）。該技術(shù)的主要目的是解決由于容性負(fù)載導(dǎo)致電流波形嚴(yán)重失真而引起的EML和EMC。所以現(xiàn)代技術(shù)PFC與過(guò)去的功率因數(shù)補(bǔ)償技術(shù)完全不同。它旨在使非正弦電流波形失真，迫使交流線路的電流跟蹤電壓波形的瞬態(tài)變化軌跡，并使電流和電壓保持在同一相位，使系統(tǒng)純電阻（電流波形校正技術(shù)）。

因此，現(xiàn)代技術(shù)PFC完成了電流波形的校正，解決了電壓和電流同相的問(wèn)題。

由于上述原因，對(duì)于要求功率大于85W（有些數(shù)據(jù)顯示超過(guò)75W）的容性負(fù)載電器，需要增加一個(gè)校正電路來(lái)校正其負(fù)載特性，使其更接近電阻率（即電壓和電流波形將具有相同的相位，波形相似）。