功率因数校正

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• 功率因数校正

 

 

功率因数校正（power factor correction）简称PFC，主要为改善电源供应器输入端有效功率与视在功率的比值，是开关模式电源中常见的电路之一。 一般不含 PFC 线路的机型，其输入端的功率因数只有 0.4~0.6，而具有主动式 PFC 线路则可以达 0.95 以上，其相关式如下：

 

视在功率 = 输入电压 x 输入电流（VA）

 

有效功率 = 输入电压 x 输入电流 x 功率因子（W）

 

以环保的层面看：电力公司发电厂必须产生大于视在功率的电能，其发电机组才可以稳定供给市场电能需求，而电能的实际使用则是有效功率。如果功率因数为0.5，表示发电机组发出大于 2VA 电力，才能安全供给电能 1W 的需求，其能源运作效益差。反之，若功率因数改善为 0.95，则电力公司发电机组只要发出大于1.06VA 电力，供给电能 1W 的需求便无问题，能源的运作效益较佳。

 

PFC的英文全称为“Power Factor Correction”，意思是“功率因数校正”，功率因数指的是有效功率与总耗电量(视在功率)之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量(视在功率)的比值。基本上功率因素可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因素值越大，代表其电力利用率越高。

 

计算机开关电源是一种电容输入型电路，其电流和电压之间的相位差会造成交换功率的损失，此时便需要PFC电路提高功率因数。目前的PFC有两种，一种为被动式PFC(也称无源PFC)和主动式PFC(也称有源式PFC)

 

 

 

 

 

交流电路的功率因数是电气负载使用的瞬时有功功率与通过电路的视在功率的比值。功率因数衡量电网的输电效率以及与之相连的负载的用电效率。

 

 

在纯线性电路中，

 

 

其中  θ  是以下矢量功率三角形中有功功率和视在功率的夹角。

 

 

矢量功率三角形。

 

如果功率因数接近 1，说明从电网汲取的功率可得到最大限度的利用。如果功率因数较低，则说明电路中的电感或电容元件导致汲取的电流相对于电压滞后或超前，减少了负载可用的瞬时有功功率，且不必要地占用了电缆的载流量。

 

用 Simulink® 设计功率因数校正数字控制

 

 

 

 

 

有哪些国家规定 PFC 为电子设备的标准配备?

2001 年一月， 欧盟正式对电子设备谐波有详细规范， 规定凡输出在 75W~600W 范围间之电子设备产品， 都必须通过谐波测试[Harmonics test(EN 61000-3-2) ] ， 测量待测物对电

力系统所产生的谐波干扰； 中国大陆自 2002 年 5 月起， 规范凡政府机关采购之电子设

备， 皆将功率因数校正(PFC) 视为电子设备的标准配备功能； 日本已着手研拟关于节约电

力的各项方案， 这是一种未来的趋势， 相信在不久的将来， 其它国家将陆续跟进。

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1. 无源PFC（被动PFC）

 

被动功率因数校正：

 

最简单降低谐波电流的方式是使用只含有被动（无源）元件的滤波器，此作法称为被动功率因数校正或无源功率因数校正（passive PFC）。

 

被动式功率因数校正的校正效果，可以通过电感器电容器组合电路校正，其功率因数在0.7至0.8之间，或者是通过填谷式电路的方式，其功率因数可以在0.9左右或更高一些。但效果仍不如主动功率因数校正，产生的热量较主动式功率因数校正的要大些。

    被动式 PFC 的缺点：

当欧洲 EN 的谐波规范越来越严格时， 电感量产的品质需提升， 而生产难度将提高。 沉

重重量增加电源供应器在运输过程损坏的风险。

原料短缺的风险较高。

如电源内部结构固定的不正确， 容易产生震动噪音。

当电源供应器输出超过 300 瓦以上， 被动式 PFC 在材料成本及产品性能表现上将越不具

竞争力。

 

被动式PFC一般分“电感补偿式”和“填谷电路式(Valley Fill Circuit)”。

 

“电感补偿方法”是使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数，被动式PFC包括静音式被动PFC和非静音式被动PFC。被动式PFC的功率因数只能达到0.7~0.8，它一般在高压滤波电容附近。

 

“填谷电路式”属于一种新型无源功率因数校正电路，其特点是利用整流桥后面的填谷电路来大幅度增加整流管的导通角，通过填平谷点，使输入电流从尖峰脉冲变为接近于正弦波的波形，将功率因数提高到0.9左右，显著降低总谐波失真。与传统的电感式无源功率因数校正电路相比，其优点是电路简单，功率因数补偿效果显著，并且在输入电路中不需要使用体积大重量沉的大电感器。

 

主动式PFC则由电感电容及电子元器件组成，体积小、通过专用IC去调整电流的波形，对电流电压间的相位差进行补偿。主动式PFC可以达到较高的功率因数──通常可达98%以上，但成本也相对较高。此外，主动式PFC还可用作辅助电源，因此在使用主动式PFC电路中，往往不需要待机变压器，而且主动式PFC输出直流电压的纹波很小，这种电源不必采用很大容量的滤波电容。

 

 

 

 

 

 

 

无源 PFC 电路

 

不使用晶体管等有源器件组成的校正电路， 一般由二极管、 电阻、 电容和电感等无

源器件组成。

 

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1. 有源PFC（主动PFC）

 

 

主动功率因数校正：

主动功率因数校正或有源功率因数校正（active PFC）是指可调整负载的输入电流，改善功率因数的电力电子系统，其主要目的是使输入电流接近纯电阻式负载的电流，使其视在功率等于有功功率。理想状态下其电压和电流相位相同，而其产生或消耗的无功功率为0，使电源端可以最有效率的传递能量给负载。而我们公司所销售的台湾明纬开关电源有机壳型（RSP）、导轨型（NDR、SDR）等多种机型都具有PFC功能。

 

有源PFC电路的原理

有源PFC（APFC）电路的工作原理很简单，这里以BOOST电路为例。

 

BOOST的驱动方式是最简单的（源极接地，无需自举和隔离），而且还能提供一定的升压能力。在大部分开关电源中仍采用此电路，其效率峰值为97%。大功率或要求更高的应用场景已经采用其他拓扑。

在全桥输出后接一个电感是作为储能作用的

当开关管开通时。交流电流只通过电感，电感的电流上升。

当开关管关闭时，储存在电感中的电流通过二极管向电容和负载供电。

所以Mosfet无论是开还是不开，都一直有电流。不存在断流的情况。

那里简单的来讲，这个电感和开关管可以保证 电感支路 中一直有电流。而不会出现全桥整流电路中断流的情况，这就是提高了功率因素。

 

有源 PFC 电路则有很好的效果， 基本上可以完全消除电流波形的畸变， 而且电压和电流的相位可以控制保持一致， 它基本上完全解决了功率因数、 电磁兼容、 电磁干扰的问题， 但是电路非常的复杂。

 

 

 

 

 

 

有源PFC电路的控制方法

控制的目标如下：1.恒压 2.电压电流同相位

 

单纯的恒压控制大家都知道，采样输出电压，和参考值做对比，然后通过PI给出占空比就恒压。

保证电压电流同相位呢？

也很简单，采样输入电压,以输入电压作为参考信号来进行控制

 

 

 

 

 

PFC电路的作用在于提高功率因数。

 

 

（图片来源于互联网）

 

 

主动式 PFC 的优点：

校正效果远优于欧洲的 EN 谐波规范， 即便未来规格更趋严格也都能符合规定。 随着

IC 零件需求增加， 成本将随之降低。

较无原料短缺的风险。

较被动式专业的解决方案。

能以较低成本带来全域电压的高附加价值。

功率因数接近完美的 100%， 使电力利用率极佳化， 对环保有益。

因应未来 CPU 发展趋势， 输出瓦特数(电力) 要求将越高， 主动式 PFC 因成本不随输出瓦

特数增加而上升， 故拥有较好竞争力

 

有源功率因数校正电路组成

有源功率因数校正 APFC 是抑制电流谐波， 提高功率因数最有效

的方法， 其原理框图如图 1 所示。 交流输入电压经全波整流后， 再经

DC/DC 变换， 通过相应的控制使输入电流的平均值自动跟随全波整流

电压基准， 同时保持输出电压稳定。 APFC 电路有两个反馈控制环： 输

入电流环使 DC/DC 变压器的输入电流与全波整流电压波形相同， 输出

电压环使 DC/DC 变换器的输出电压稳定。

 

 

 

 

 

 

 

如何区别主动式功率因数校正?

 

知道了主动式功率因数校正(Active Power Factor Correction) 的好处后， 使用者最想

知道的是如何区分真的具有主动式功率因数校正功能的电源供应器。 在此提供几项简单评

量的方式：

看文字叙述:

准确率 90%以上。 因为功率因数校正是很有用的功能， 厂商当然希望能藉此吸引消费者， 所以有此功能的必定会用文字描述。 所以有看到"功率因数校正"、 "Power FactorCorrect" 或 "PFC" 这些字眼的产品， 都是有功率因数校正功能的。 同理， 因为主动式的较被动式的功率因数高， 厂商没有理由不大书特书一番， 所以基本上没说明为主动式的功率因数校正产品必定为被动式的。

看规格书:

准确率 100%。 若有功率因数校正功能， 在其产品规格书中应该可以看到功率因素(PowerFactor, PF) 的值， 我们知道 PF 值要大于 90%以上才是主动式的功率因数校正。

看电源外观:

准确率 50%。 在目前所知的技术下， 具有主动式功率因数校正的电源供应器， 不会有电压切换开关(多为红色) ， 其输入电压必须是全域电压（Full range/ universal freeinput） 或固定电压， 而不能是切换电压。 所以如果你看到有电压切换开关。 就不会有主动式功率因数校正的功能。 但相反的， 并不是所有无电压切换开关(多为红色) 的电源都有主动式功率因数校正功能， 所以使用此法的准确率只有５ ０ %， 建议应与前两项指针交互印证。

 

 

 

参考链接：

1.https://www.rohm.com.cn/electronics-basics/dc-dc-converters/dcdc_what2

2.https://www.eetree.cn/wiki/ps_design_case

3.https://www.51wendang.com/doc/0fd6704dc3141d949cd4671c

4.https://www.ti.com.cn/sitesearch/zh-cn/docs/universalsearch.tsp?langPref=zh-CN&searchTerm=%E5%BC%80%E5%85%B3%E7%94%B5%E6%BA%90%E5%9F%BA%E7%A1%80%E7%9F%A5%E8%AF%86&nr=592#q=开关电源基础知识&numberOfResults=25

5..https://baike.baidu.com/item/%E7%BA%BF%E6%80%A7%E7%94%B5%E5%8E%8B%E8%B0%83%E8%8A%82%E5%99%A8/2477509?fr=aladdin

6..https://www.elecfans.com/news/1756136.html

7..https://blog.csdn.net/weixin_33859231

8..https://blog.csdn.net/qq_24835087

9..http://power-ic.szczkjgs.com/news_show_148303.htm

10..https://www.doc88.com/p-406269005916.html

11..https://www.doc88.com/p-1025429257354.html?s=like&id=2

12..https://blog.csdn.net/weixin_29504817/

13..https://www.doc88.com/p-545678535444.html

14.https://www.eefocus.com/baike/503079