功率因数校正：实现新能效目标的关键要素

shuszhao

鉴于消费者越来越关注其电费支出，企业业主也希望遏制其螺旋式上升的运营成本，因此能源使用和能效水平正在受到比以往更加严格的审查。所有这一切都会因为日益重要的环境因素而进一步加强，人们普遍认识到，低能效电子设备产生的废热最终会对生态产生不利影响。
在电力电子领域，转换效率一直是讨论的重要话题，也是任何数据表中的关键参数之一。为了在最有利的条件下展示他们的产品，电源制造商通常会引用“最佳”的数字，一般是在大约80％负载下的能效指标。但是，需要注意的是，在实际应用中，系统所消耗的功率可能根本不是这个水平。
负载可能会上下显著波动，取决于具体应用的运行方式，并且在冗余配置中，所消耗的功率将总是比峰值低很多（除非出现故障情况）。这意味着系统的实际能效可能远低于所引用的值。

认识到这种情况的严重性后，标准机构、行业组织和政府组织都制定了新的能源规范。这些指导文件中通常引用所有工作负载（从20％到满负载）范围内最低能效水平的曲线，因此，设计工程师能够评估功率系统中的基本构建模块，以确定发生损耗的位置，然后采取措施消除这些损耗，从而确保满足新的能效要求。功率因数校正（PFC）对于解决潜在损耗源问题至关重要，因此应予以实施。


电源系统损耗

无损耗的电源系统当然具备完美的能效指标，虽然现代开关式半导体器件已经能够提供前所未有的性能指标，但在工作期间总会有一些损耗，从而导致能效水平降低。在电源系统中，需要注意的是两种类型的损耗：开关和传导。
传导损耗包括由桥式二极管正向电压引起的损耗，其与系统功率和MOSFET和IGBT等开关组件的导通电阻成比例。这些损耗与整个系统功率的平方成正比，随着输出功率的增加，损耗也会增大，损耗往往在更接近满载的情况下具有更大影响。传统上，过去的应用焦点也集中于此。
第二种损耗是开关损耗。随着设计工程师努力提高功率密度水平并缩小系统尺寸，开关频率不断增高，从而可以减小系统中大型磁性组件的尺寸。开关损耗与寄生电容的不断再充电有关（例如在开关组件栅极中出现的情况）。这些损耗与开关频率成比例，并且在整个工作功率范围内保持一致。这些损耗往往在较低功率水平下最为普遍，可能对系统能效产生重大影响。


为什么PFC对能效如此重要？

公用事业公司提供的所有电网电力均为交流电，电压波形始终为正弦波。然而，电流波形和相位却不一定是正弦波，这取决于供电系统负载。对于加热组件等最简单的纯电阻负载，负载电流与电压同相并保持为正弦波，在这种情况下计算输出功率仅仅是将电压和电流相乘。
而对于马达等他类型负载，可以包括无功分量（电感或电容）。在这种情况下，当电流波形保持为正弦波时，它将相对于电压波形有相移，其中负载中的电抗量确定相移大小。功率计算需要考虑相位，因此实际功率由下式确定：
实际功率 = V * I * cos(f)
这里f表示电压和电流波形之间的相位差，cos（f）被称为“位移因子”。在电阻性负载中，电流和电压具有相同相位，cos（f）的值为1，意味着实际功率与正常情况下一样，仍然是电压和电流乘积。然而，实际负载往往不是那么简单，特别是负载如果为开关模式电源（SMPS）情况下，这些系统通常具有二极管桥式整流器和涌浪电容器，将导致电流波形失去原来正弦波形状，并成为一系列尖峰。
由于波形失真且不再是正弦波，因此使用“失真因子”(cos(q))计算实际功率，失真因子与波形的总谐波失真（THD）相关。因此，在系统中如果电流和电压同相，但电流波形为非正弦波，以下等式适用：
实际功率 = V * I * cos(q)
在电流波形既出现相移又失真下，情况会变得复杂一些，这时必须考虑位移因子和失真因子：
实际功率 = V * I * cos(q) * cos(f)
任何系统功率因数都只是两个因素的乘积结果：
功率因数 = cos(q) * cos(f)
在实际应用中，这意味着电压和电流之间相位差越大，或者电流波形越失真，功率因数越低，因此实际功率越低。由于功率因数也会影响能效，目前这是电源设计人员应对的关键领域。


功率因数校正必要性

通过比较复杂的数学计算表明，如果频率相同，将两个正弦波相乘，只能得到一个大于零的值。因此，可以推断出谐波电流对系统的有用输出功率没有贡献，应该尽量减少或消除。
这正是为大多数人公认的主体PFC标准EN 61000-3-2所采用的方法，与美国环境保护署（EPA）能源之星（Energy Star）在内的许多现代能效规范一样，EN61000-3-2旨在通过定义严格的谐波电流限制来降低电流波形的THD，直至可以达到40次谐波。
实现PFC的最常用方法是在桥式整流器和大容量电容器之间插入一个主动级（active stage），可以通过使用市售PFC控制器中的几种常见控制方案之一来完成。可能最广泛使用的控制方案是连续导通模式（CCM），以固定频率运行，并且经常用在更高功率（高于300W）系统。一种流行的替代方案是临界传导模式（CrM）控制，这种方式通过仅在电感器电流降至零时进行开关，可省去快速恢复二极管，进而可降低系统成本，但导致可变的开关频率。CrM在低功率系统中尤其普遍，例如可用于照明系统。
PFC控制方案还可进一步改进，其目标是提供更高的能效，例如可将工作频率钳制在规定范围内。一些控制方案能够根据负载变化而改变传导模式，以确保实现最佳能效。


实用PFC解决方案

虽然可以使用分立组件从头开始设计PFC方案，但这种情况却很少出现，大多数工程师会选择使用内置PFC控制方案的现成控制IC。安森美半导体（ON Semiconductor）的FL7921R  CrM照明控制器是一款高集成度器件，它将PFC控制器与准谐振（QR）PWM控制器整合在一起，采用受控的导通时间技术，提供稳定的直流输出，执行自然的PFC。该IC包括一个THD优化电路，可减少过零点处的输入电流失真，从而提高功率因数。 PFC功能始终处于开启状态，以确保功率因数完全优化，其中也包括在重要的轻负载条件。

                               
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图1：ON Semiconductor FL7921R QR电流模式照明控制器。（来源：安森美半导体）

                               
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图2：FL7921R的功能模块图。（来源：安森美半导体）

                               
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图3：STMicroelectronics的STNRGPFx2双通道交错式PFC控制器。（来源：意法半导体）

STMicroelectronics的STNRGPFx2是一款双通道交错式CCM PFC数字控制器，适用于更高功率的PFC升压应用，如焊接、工业马达、电池充电器和电源等。该固定频率组件能够驱动两个交错式PFC通道，并且具备涌浪电流限制能力，业包括诸如相位消除（phase-shedding）运行等更复杂的功能。使用STMicroelectronics的eDesignSuite，客户可以快速轻松地配置器件。


总结

管理和控制当今电源系统的功率因数是提高所有运行条件下能效的关键，这其中包括传统上能效非常低的轻负载情况。面对不断提高的能效指标要求，消费者和企业业主也越来越意识到运营成本压力和废弃能源对环境的不利影响，具备足够的PFC已经成为目前市场中关键的采购要求。幸运的是，许多高集成度控制器可帮助工程师轻松实现各种复杂的PFC方案，以满足其特定的应用需求。.

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PFC电路越来越重要了