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白皮书

回归基础:功率因数是指什么?为什么一定要校正?

今天的商业、工业、零售甚至是家庭环境使用的电子设备越来越多,如个人电脑、显示器、服务器和复印机等,这些通常都由开关电源 (SMPS) 供电。如果设计不当,就会产生非线性负载,可能将出现的谐波电流或电压强加给主电网。谐波不仅可损坏该网络中的线缆及设备,而且还可损坏连接至其上的其它设备。可能出现的问题包括过热及火灾风险、高电压与循环电流、设备故障和组件故障以及其他可能出现的后果。如果一个非线性负载的功率因数很差,就很容易产生这些谐波。其它负载可能会在不产生谐波的情况下,呈现很差的功率因数。本文着重讨论上述问题、致使产生破坏性谐波的情况,以及减少该谐波的实际方法。

造成较差功率因数的两大原因

按最简单的方式讲,我们可以说一个电气设备或电子器件的功率因数是它从市电获得的功率和它实际消耗的功率之比。“理想”器件的功率因数是 1.0,其将消耗它所获得的所有电能。它将呈现一个全电阻的线性负载:也就是说,一个不受输入电压影响而保持恒定的负载,没有明显的电感或电容。图 1 是这种器件将出现的输入波形。首先,电流波形与电压处于相同的相位,其次,这两种波形均为正弦波形。

Input voltage and current waveforms for a device with PF = 1.0

图 1:PF = 1.0 的器件的输入电压及电流波形

在实践中,有些器件确实有一致的功率因数,但有些器件却没有。器件功率因数差的原因有两个:要么它引出的电流与电源电压异相,要么它引出电流采用的波形是非正弦的。异相情况即所谓的“位移”功率因数,通常与工业设备内部的电机有关,而非正弦情况即所谓的“失真”功率因数,通常与由开关电源 (SMPS) 驱动的个人电脑、复印机及电池充电器等电子设备有关。我们先简要地了解一下位移功率因数,然后再讨论失真情况,这是电子电源系统设计人员更迫切了解的问题。然而,了解这两种情况非常重要。例如,一些工程课程只从电机的角度讨论功率因数问题,当学生后来遇到 SMPS 所表现出的较差功率因数时,就会感到困惑。

电机和位移功率因数问题

电机产生强大的磁场,其可产生与所用电压相反的电压或逆电动势。这可导致电源电流滞后于所用的电压。所带来的异相电流组件无法提供可用的电源,但它增加了设施所需的供电能力和电力成本。在电机之间安装电容器,可减少相位滞后,提高其功率因数。

SMPS 与失真功率因数问题

位移功率因数负载不会引起谐波及其相关问题,但 SMPS 等失真功率因数负载则会引起这些问题,除非改善了其功率因数。

SMPS 的 AC 前端通常包括一个桥式整流器,其后是一个大型滤波电容器。当线路电压超过电容的电压时,该电路才会使用交流主电路的电流。这将导致交流电流流动间断,产生如图 2 所示的非正弦电流波形。

图 2:功率因数差的 SMPS 所带来的非正弦电流波形

可使用傅里叶变换(一种数学过程)分析该波形,并将其分解成一组正弦分量,其中包括基本频率(欧洲为 50Hz,美国为 60Hz)和一组基本频率的奇数倍数,即所谓的谐波。三次谐波为 150Hz(或 180Hz),五次谐波为 250Hz(300Hz),等等。图 3 是电子 SMPS 负载的典型谐波频谱。基本分量被 SMPS 有效消耗,而谐波是无功的,其会带来上述问题。基波幅值与所有谐波幅值之和之比,给出了器件的功率因数。

图 3:电子 SMPS 负载的典型谐波频谱

国际标准

现有一个国际标准,为产品主谐波的产生描述和设定可接受的限度。在欧盟内部,其参考标准为 IEC61000-3-2,涵盖从 75W 到 600W 的设备功率级。该标准将设备分为 A、B、C 和 D 四类。D 类包括个人电脑、个人电脑显示器和电视接收器。

成熟 PFC 解决方案和创新 PFC 解决方案

虽然有无源功率因数解决方案,但一般行业观点是,有源设计可提供最佳的功率因数改进。这些一般都建立在升压转换器技术基础之上,如图 4 所示。

图 4:采用升压技术的有源功率因数校正电路

图 5:有源升压电路的电压及电流波形

为此,控制电路使用输入电压波形作为模板。控制电路测量输入电流,将其与输入电压波形进行比较,并调整升压电压,以产生相同形状的输入电流波形 (5–I)。同时,控制电路还可监控母线电压并调整升压,以维持粗略稳压的 DC 输出 (5–B)。控制电路的主要功能是提供正弦输入电流,所以允许 DC 母线电压略有不同。

使用有源功率因数校正电路使得输入电流很少出现不连续性,因此从线路中引出的输入电流的失真和谐波含量较低。然而,Vicor 最近基于其最新动态转换器架构推出了一款模块化 AC 前端,称为自适应单元。

该 AC 前端为系统设计人员带来了许多改进功能。具体来说,它可提供 85V 至 264VAC 通用输入、高效率和高功率密度,还特别考虑到了它是一个完整的解决方案,包括隔离稳压 DC 输出以及整流及功率因数校正等。该器件可减少 AC 线路谐波的传播,改善系统和设施层面的整体电源质量。总谐波失真好于 EN61000-2-3 要求,而高开关频率和谐振转换则可简化外部滤波和 满足EMI 标准规范。

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