功率因数校正(PFC)

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功率因数被定义为设备能够传输到输出的能量与它从输入电源获得的总能量的比率。它是电气设备设计的一个关键指标，特别是由于国家和欧盟等国际组织制定的法规，这些法规规定了设备在欧洲市场上销售时必须具有的最小功率因数或最大谐波水平。

这些组织如此投资于提高功率因数的原因是，低质量的电力对电网是一个真正的威胁，增加了加热损失，并可能导致停电。

功率因数差的原因主要有两个:

位移:这发生在电路的电压和电流波不相时，通常是由于电感或电容器等无功元件的存在。
失真:定义为波的原始形状的改变，这通常是由非线性电路引起的，如整流器。这些非线性波含有大量的谐波，使电网中的电压失真。

功率因数校正(PFC)是用来改善设备功率因数的一系列方法。

为了解决位移问题，通常使用外部无功元件来补偿电路的总无功功率。

要解决失真问题，有两种选择:

无源功率因数校正(PFC):通过使用无源滤波器过滤掉谐波来提高功率因数。这通常用于低功率应用，但在高功率时是不够的。188比分直播吧
有源功率因数校正(PFC):使用开关转换器来调制畸变波，以便将其塑造成正弦波。新信号中存在的唯一谐波是在开关频率上，所以它们很容易被过滤掉。这被认为是最好的PFC方法，但增加了设计的复杂性。

一个好的功率因数校正电路对于任何现代设计来说都是一个至关重要的元素，因为一个功率因数不好的设备将会效率低下，会对电网造成不必要的压力，并可能对其他连接的设备造成问题。

交流/直流电源对PFC (Power Factor Correction)的需求

如我们在前一篇文章在美国，交流/直流电源由若干电路组成，这些电路将输入的交流电压转换为输出的稳定直流电压。这些电路中最重要的是整流器，它负责将交流电压转换为直流电压;然而，仅靠这个电路还不足以保证足够的运行。

为了使AC/DC电源高效和安全，它需要结合隔离、功率因数校正(PFC)和电压降低。这些元件保护用户、电网和任何连接的设备，并在一定程度上集成在所有开关电源中。

任何开关电源的第一步都是整流输入电压。整流是用整流器将信号从交流转换为直流的过程。交流波中的负电压可以用半波整流器切断，也可以用全波整流器反转。

全波整流器由四个二极管组成，以一种称为格雷茨桥的方式连接。当电源的电压由负变为正时，这些二极管就开关开和关，使负半波的极性颠倒，将交流正弦波变成直流波(见图1)．

图1:全桥整流器示意图

这种波有一个很大的电压变化，称为纹波电压，所以一个蓄水池电容器并联连接到二极管桥，以帮助平滑输出电压纹波。

然而，如果你观察整流器的储层电容的波形，你会看到电容器在很短的时间内被充电，从电容器输入端的电压大于电容器的电荷，到整流信号的峰值。这在电容器中产生了一系列的短电流尖峰，看起来一点也不像正弦波(见图2)．

图2:整流输出的电压和电流波形

这是一个非常大的问题，不仅对供电来说，对整个电网来说都是如此。为了理解这个问题的严重性，我们必须首先掌握谐波的概念。

谐波和傅里叶变换

到目前为止，你们看到的大多数波形都是正弦波。然而，当存在无功元件(电容器、电感)或非线性元件(晶体管、二极管)时，波往往不再是纯正弦的。这些波由不同的，通常是复杂的数学函数定义。这可能会使这种波的分析变得更加困难，因为分析背后的数学变得相当困难(见图3)．

图3:正弦波与失真波-波形与波函数

幸运的是，在19世纪，法国数学家让-巴蒂斯特·约瑟夫·傅里叶提出了一种方法，可以将任何任意周期波形分解为一系列频率不同的正弦波和余弦波，称为谐波(见图4)．第一个波被称为基波，是频率最低的波。然后，将其他几个波与基波结合，并给出特定的振幅和频率。根据经验，一个波形的形状越偏离纯正弦波，它就会有越多的谐波。

图4:将任意波形分解为傅里叶级数

谐波频率必须是基频的整数倍。例如，如果一个波的基频是50Hz，那么第二个谐波频率将是100Hz，第三个谐波频率将是150Hz，依此类推。

谐波最重要的参数之一是它们的振幅，这是它们对基频影响的度量。通常，基频的振幅最大，谐波的振幅与其阶数成比例递减，因此9或20次谐波几乎不存在。这些谐波的振幅可以用图形表示，显示每个谐波在任意波形的产生中所起的作用。

电容中电流的问题是它看起来非常类似于delta函数。理想情况下，这种波是一种无限短、无限强的脉冲。可以理解，这种形状的波分解成正弦波很复杂，并导致大量强大的谐波，几乎涵盖所有频率(见图5)．

图5:Delta函数和方波的谐波分布

这并不一定是一个问题，因为设备仍然为负载供电，所以许多低功率AC/DC电源制造商对此没有采取任何措施，因为它只影响电源的功率因数。然而，如果有太多功率因数低的大功率设备连接到电网，可能会出现问题，甚至导致停电!

功率因数

交流电源有三种类型。第一种称为有功功率，通常称为实功率或p。这表示传输到负载的净能量。如果负载是纯电阻性的，则线路中的所有功率都是有功功率，电压和电流彼此相位振荡。其次，如果负载是纯无功的，如电感或电容器，功率将是纯无功的，通常表示为q。该功率用于产生和维持无功组件中的磁场和电场。这些电场使电流相对于电压滑移，容性负载超前90°，感性负载滞后90°(见图6)。这意味着这些纯无功负载产生的总功率为零，因为正无功功率被负无功功率抵消了。

图6:同相V-I波和相关功率(左)。90°相位差下的V-I波形及其功率(右)

在实际应用中，负载从来不是188比分直播吧纯电阻性或无功性的，而是两者的结合。第三种交流功率类型是有功功率和无功功率的相加，称为视在功率，或s。这种相加是二次的，有功、无功和视在功率之间的关系通常以三角形的形式表示。

功率因数是有功功率与视在功率之间的关系，用于测量电路中功率传输的效率(见图7)．

功率三角形

低功率因数是两个因素的结合:位移和失真。第一个，在线性负载中，是由于无功元件的存在，使电流和电压波掉出相位。电压和电流之间的相位差对总功率因数的影响由位移因数定义，位移因数用波间夹角的余弦计算方程(1)：

$ $ PF_{位移}= COS (\ theta_ {V} - \ theta_{我})$ $

然而，如果我们回到手头的问题，电源设计人员面临的问题不仅是电流和电压波可能会失相，而且电流波形已经变成了一个脉冲序列，这是一个非线性函数。这意味着电压和电流的相乘，也称为功率，也是非线性和非常低效的。当电路有非线性负载时，例如荧光灯、电子设备和全桥整流器，就会发生这种情况。这些负载在非常短和突然的爆发中吸取电流，这产生了大量的谐波，增加了信号的失真。描述由于谐波的存在而出现在信号中的失真量的最常用方法是通过总谐波失真的幅度(THD)，它表示谐波电流相对于基波电流的比例。THD可以用方程(2)：

官$ $ = \压裂{\√6 {\ n≠1总和\空间I_ {n} ^ 2 \空间RMS}} {{I_{基金。\space RMS}}} = \frac {RMS \space谐波\space电流}{RMS \space基本\space电流}$$

然而，畸变对总功率因数的影响是利用畸变因数，它与总谐波畸变有关方程(3)：

$$PF_{DISTORTION}= \sqrt \frac {1}{1+THD^2}$$

位移因子与畸变因子的乘积构成功率因子，计算公式(4):

$$PF = PF_{DISPLACEMENT}\space x \space PF_{DISTORTION}= COS(\theta_{V}-\theta_{I}) \space x \space \sqrt \frac {1}{1+THD^2} $$

功率因数通常不会显著影响设备的运行，但当电流被泵回电网时，就会带来低功率因数。例如，如果一个功率因数非常低的感性负载，例如搅拌机中的直流发动机，连接到电网，邻居的电视屏幕可能会因为发动机注入的谐波而开始闪烁。在大规模的情况下，这将导致电网中的大量热量损失，甚至可能导致停电。

可以理解的是，电力供应商对设备对电网的功率干扰量提出了限制。第一次尝试这样做是在1899年，随着电灯的开始，他们意识到来自其他设备的干扰使白炽灯闪烁。然后，在1978年，国际电工委员会(IEC)提出了一项规定，强制在消费产品中引入功率因数校正。

从那时起，不同的国家制定了自己的功率因数限制指南和法规。在美国，自愿的能源之星指南规定，任何计算设备在最大额定输出工作时，PF必须至少为0.9。在欧盟，立法(IEC31000-3-2)更为严格，将电气设备分为四类:电器(A)、电动工具(B)、照明(C)和电子设备(D)。每个类别对每个谐波(最高至39)相对于基频的相对权重都有具体的限制。其他国家对此立法有自己的具体版本，如中国GB/T 14549-93或国际IEEE 519-1992。

图8显示了IEC61000-3-2为c类设备在频域和时域建立的波形限制。可以看到，频域的最大谐波振幅值遵循方波的形状，这是通过在时域观察产生的波来确认的。

图8:c类设备在频域(左)和时域(右)的最大谐波值

虽然IEC61000-3-2定义的波形看起来与理想的正弦波非常不同，但要找到PFC没有超过谐波和功率因数的规定限制的设备并不难。因此，在任何商业化的设备中，为了提高运行效率，并能够将设备作为消费品销售，一个良好的功率因数校正电路是必要的。

什么是功率因数校正(PFC)?

功率因数校正(PFC)是电子设备制造商用来改善其功率因数的一系列方法。

如前所述，低功率因数是由信号中存在位移或失真引起的。位移对功率因数的负面影响相对简单解决，因为电容器将相位向前拖动，而电感将其向后驱动。如果一个系统的电流波滞后于电压，你可以简单地在电路中添加一个具有正确阻抗的电容器，电流波的相位将被向前拉，直到它与电压相一致(见图9)．

图9:无PFC的低PF功率传输(左)和校正功率因数和PFC的功率传输(右)

另一方面，改善系统的畸变因子(通常出现在非线性电路中)比补偿线性电路中的位移因子稍微复杂一些。要做到这一点，有两个选择:

过滤掉谐波:接受效率上的损失，但尝试通过在输入端添加滤波器来减少注入电网的谐波数量。这被称为无源PFC，并使用低通滤波器旨在消除高阶谐波，理想情况下只留下50Hz基频(见图10)。在实际应用中，由于必要的电188比分直播吧容器和电感的效率、尺寸和重量的损失，它在提高器件的PF方面不是很有效，而且对于大功率解决方案也是不切实际的。它通常不用于功率超过数百瓦的应用程序。188比分直播吧

图10:DCM模式下的有源PFC、输出电流波形(左)和无源PFC滤波器频率响应(右)

有源功率因数校正。这种方法改变电流波形的形状，使其跟随电压。通过这种方式，谐波被转移到更高的频率，使它们更容易被过滤掉。这种情况下最广泛使用的电路是升压转换器(参见图11)．该电路驱动直流电压上升，同时降低其电流，类似于变压器。最简单的升压变换器由一个电感、一个晶体管和一个二极管组成。

图11:带有源PFC的开关式交流/直流电源

升压变换器有两个操作阶段。在第一阶段，当开关关闭时，电感由电压源充电(在这种情况下，从整流器出来的电压)。当开关打开时，感应器将前一阶段储存的电流注入电路，增加输出端的电压。这个电流也给电容器充电，电容器负责在电感器充电时保持输出电压水平。

如果开关频率足够高，感应器和电容器都不会完全放电，输出端的负载总是比输入电压源的电压大。这称为连续传导模式(CCM)。开关关闭的时间越长(即晶体管开的时间越长)，输出端的电压就越大。如果占空比(开关相对于总开关周期打开的时间)得到适当控制，则输入电流波可以形成正弦波。

然而，并非所有PFC转换器都使用CCM。还有另一种方法可以提供更少的开关损耗和更便宜的电路，尽管它牺牲了最终的PF质量。这种方法被称为边界导通模式(BCM)或临界导通模式，在感应器完全放电时开关晶体管(见图12)．这被称为零电流开关(ZCS)，它允许升压转换器中的二极管更快更容易地改变极性，减少了对高质量、昂贵组件的需求。

图12:连续传导模式(左)和边界传导模式(右)下的PFC电感、晶体管和二极管电流

转换器跟踪输入电压，因此输出电流看起来像频率为50Hz的正弦波。然而，这种电流波形看起来仍然与纯正弦波有很大的不同，所以它在逻辑上有大量的谐波分量。因为这些谐波分量是开关频率的倍数，而开关频率要比50Hz基本频率高得多(50kHz到100kHz)，所以它们将被非常有效地过滤掉。这大大提高了功率因数，这就是为什么一些开关电源的PF值高达0.99。

BCM功率因数校正器的一种实现是MP44010控制器。当连接到升压转换器时，ZCS引脚检测电感何时放电并激活MOSFET(图13中的Q1)。该集成电路还比较电流和电压，形成电流峰值，以遵循输入电压的形状。