PFC基礎(chǔ)概述之功率因數(shù)與規(guī)范要求解答

1、摘要

功率因數(shù)校正電路對離線電源的輸入電流波形進(jìn)行整形，以使從電源吸取的有功功率最大化。在理想情況下，電器應(yīng)該表現(xiàn)為一個純電阻的負(fù)載，此時電器吸收的反射功率為零。在這種情況下，本質(zhì)上不存在輸入電流諧波。電流是輸入電壓（通常是一個正弦波）的完美復(fù)制品，而且與其同相。在這種情況下，對于進(jìn)行所需工作所要求的有功功率而言，從電網(wǎng)電源吸收的電流最小，而且還減小了與配電發(fā)電以及相關(guān)過程中的基本設(shè)備有關(guān)的損耗和成本。由于沒有諧波，也減小了與使用相同電源供電的其他器件之間的干擾。當(dāng)今眾多電源采用PFC的另一個原因，是為了符合規(guī)范要求。現(xiàn)在，歐洲的電氣設(shè)備必須符合歐洲規(guī)范EN61000?3?2。這一要求適用于大多數(shù)輸入功率為75 W或以上的電器，而且它規(guī)定了包括高達(dá)39次諧波在內(nèi)的工頻諧波的最大幅度。雖然美國還沒有提出此類要求，但是希望在全球銷售產(chǎn)品的電源制造商正在設(shè)計符合這一要求的產(chǎn)品。

定義

功率因數(shù)校正可簡單地定義為有功功率與視在功率之比，即：

其中有功功率是一個周期內(nèi)電流和電壓瞬時值乘積的平均值，而視在功率是電流的rms值與電壓的rms值的乘積。如果電流和電壓是正弦波而且同相，則功率因數(shù)是1.0。如果兩者是正弦波但是不同相，則功率因數(shù)是相位角的余弦。在電

工基礎(chǔ)課程中，功率因數(shù)往往就是如此定義，但是它僅適用于特定情況，即電流和電壓都是純正弦波。這種情況發(fā)生在負(fù)載由電阻、電容和電感元件組成，而且均為線性（不隨電流和電壓變化）的條件下。

因?yàn)檩斎腚娐返脑颍_關(guān)模式電源對于電網(wǎng)電源表現(xiàn)為非線性阻抗。輸入電路通常由半波或全波整流器及其后面的儲能電容器組成，該電容器能夠?qū)㈦妷壕S持在接近于輸入正弦波峰值電壓值處，直至下一個峰值到來時對電容再進(jìn)行

充電。在這種情況下，只在輸入波形的各峰值處從輸入端吸收電流，而且電流脈沖必須包含足夠的能量，以便在下一個峰值到來之前能維持負(fù)載電壓。這一過程通過在短時間內(nèi)將大量電荷注入電容，然后由電容器緩慢地向負(fù)載放

電來實(shí)現(xiàn)，之后再重復(fù)這一周期。電流脈沖為周期的10%到20%是十分常見的，這意味著脈沖電流應(yīng)為平均電流的5到10倍。圖1描述了這種情況。

請注意，盡管電流波形有嚴(yán)重失真，電流和電壓仍可以完全同相。應(yīng)用“相位角余弦”的定義會得出電源的功率因數(shù)為1.0的錯誤結(jié)論。

圖2顯示了電流波形的諧波內(nèi)容。基波（在本例中為60 Hz）以 100%的參考幅度顯示，而高次諧波的幅度則顯示為基波幅度的百分比。注意到幾乎沒有偶次諧波，這是波形對稱的結(jié)果。如果波形包含無限窄和無限高的脈沖（數(shù)學(xué)上

稱為δ函數(shù)），則頻譜會變平坦，這意味著所有諧波的幅度均相同。順便說一下，這個電源的功率因數(shù)大約為 0.6。

作為參考，圖 3 顯示了功率因數(shù)校正完好的電源輸入。它的電流波形和電壓波形的形狀和相位都極為相似。注意到它的各輸入電流諧波幾乎都為零。

功率因數(shù)校正和諧波削減的關(guān)系

從前面的描述可以清楚的看到，高功率因數(shù)和低諧波是一致的。但是，它們之間沒有直接的關(guān)系，總諧波失真和功率因數(shù)的關(guān)系體現(xiàn)在下列等式。

THD表示：諧波失真。諧波失真是指輸出信號比輸入信號多出的諧波成分。諧波失真是系統(tǒng)不是完全線性造成的。所有附加諧波電平之和稱為總諧波失真：

其中Kd是失真系數(shù)，等于：

因此，當(dāng)輸入電流的基波分量和輸入電壓同相時，Kθ = 1，且：

如前所述，即使是完美的正弦電流，只要它的相位和電壓不一致，也會得出欠佳的功率因數(shù)。

則，得出功率因子與諧波失真的關(guān)系：

由此得出，10%的THD對應(yīng)大約等于0.995的功率因數(shù)。顯然，無論是從電流的最小化還是減小對其他設(shè)備的干擾角度來看，對每個諧波設(shè)定限制可以更好地完成控制輸入電流“污染”的任務(wù)。雖然這個對輸入電流進(jìn)行整形的過程通常被稱作功率因數(shù)校正，但在國際規(guī)范中，通常以諧波含量來衡量整形是否成功。

功率因數(shù)校正的類型

圖 3 所示的輸入特性由“有源”功率因數(shù)校正獲得，把開關(guān)模式升壓轉(zhuǎn)換器置于輸入整流器和儲能電容之間，轉(zhuǎn)換器由比較復(fù)雜的 IC 進(jìn)行控制，它的附加電路能對輸入電流進(jìn)行整形，以匹配輸入電壓的波形。這是在當(dāng)今電源中最常用的 PFC 類型。但并不是唯一的類型。沒有規(guī)則要求 PFC 必須由有源電路（晶體管、IC 等）構(gòu)成。任何能夠使得諧波低于規(guī)范限制的方法都是允許的。

結(jié)果表明，在與有源電路相同的位置上放置電感也可以達(dá)到限制諧波的目的。一個足夠大的電感會減小電流的峰值，并且在時間上將電流波形展寬來減少諧波以使之符合規(guī)范。這種方法已經(jīng)在一些臺式個人計算機(jī)電源中得到應(yīng)用，其電感的尺寸（大約為 50mm 3 ）及其重量（鐵心和銅繞組）是可以接受的。在功率水平超過典型個人電腦功率(250W)的情況下，由于受到尺寸和重量的限制，很少使用這種無源方法。圖 4 顯示了三個不同的 250W 計算機(jī)電源的輸入

特性，所有的電流波形具有相同的比例系數(shù)。