人們都傾向于按照基本的60Hz或50Hz頻率考慮電力線上的能量——這也是電站的渦輪和發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電壓的方式。當(dāng)然，如果有無(wú)功負(fù)載，電流就會(huì)滯后于電壓。這就是“功率因數(shù)”，對(duì)嗎?但難道它仍然是關(guān)于50Hz或60Hz時(shí)的“實(shí)際”和無(wú)功元件嗎?也對(duì)也錯(cuò)。遺憾的是，這種概念化過(guò)程有些太過(guò)簡(jiǎn)單了。
在電力配送系統(tǒng)中，對(duì)功率因數(shù)校正(PFC)的理解通常是在電力配送系統(tǒng)中的某些點(diǎn)增加(一般來(lái)說(shuō))電容性電抗以抵消電感性負(fù)載效應(yīng)。我們可以說(shuō)是“無(wú)功”負(fù)載，但電源工程師在解決功率因數(shù)問(wèn)題時(shí)通常最關(guān)心的是電機(jī)負(fù)載。校正時(shí)可以采取電容陣列或“同步調(diào)相器”(一種無(wú)負(fù)載同步電機(jī))的形式。
更廣泛地說(shuō)，在使用AC-DC電源轉(zhuǎn)換的任何電力線供電設(shè)備中都需要PFC。這些設(shè)備種類繁多，小到便攜式設(shè)備的電池充電器，大到大屏幕電視機(jī)。總之，它們的輸入整流器是主電流諧波失真的最大來(lái)源。
那么這些諧波失真來(lái)自哪里呢?一個(gè)常見(jiàn)的誤解是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器導(dǎo)致了諧波功率因數(shù)分量。事實(shí)上，諧波分量是在典型的全橋整流器和濾波電容器中產(chǎn)生的，電力線本身的阻抗則起著推波助瀾的作用。
在穩(wěn)定狀態(tài)下，當(dāng)輸入電壓超過(guò)濾波電容器上的電壓時(shí)，電源將從電力線吸取電流。這時(shí)產(chǎn)生的電流波形將包含電力線頻率(圖1)的所有奇次諧波。
一旦電壓越過(guò)這個(gè)點(diǎn)，電流就只受電力線源阻抗、前向偏置的二極管電阻以及平滑直流電壓的電容電抗的限制。由于電力線呈現(xiàn)非零源阻抗，因此大電流峰值將導(dǎo)致電壓正弦波峰上產(chǎn)生某些削波失真。
諧波被認(rèn)為是功率因數(shù)的組成部分，因?yàn)樗鼈兣c電力線頻率關(guān)系密切。作為傅里葉分量，諧波累積起來(lái)代表基頻的異相電流。事實(shí)上，功率因數(shù)的一種廣義定義是：
其中THD是總諧波失真。
功率因數(shù)的問(wèn)題
不管是什么原因，實(shí)際功率因數(shù)小于1的問(wèn)題出在哪里呢?部分原因是經(jīng)濟(jì)上的，另外一部分原因則與安全有關(guān)。不管相位關(guān)系如何，所有這些疊加的諧波電流會(huì)產(chǎn)生可測(cè)量的I2R損耗，因?yàn)檫@些電流是從發(fā)電廠經(jīng)過(guò)數(shù)英里傳輸和配送線最后到達(dá)家庭或工作場(chǎng)所的過(guò)程中吸取的。
過(guò)去，電力公司承受了這筆損耗費(fèi)用。至少對(duì)家庭消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，電力公司提供的是伏安數(shù)，消費(fèi)者支付的是瓦特?cái)?shù)，而無(wú)功伏安(VAR)是一種凈損耗。事實(shí)上，老的機(jī)械式電表甚至不會(huì)記錄這些電流。在任何情況下，針對(duì)家庭消費(fèi)者的價(jià)格表上不允許存在“實(shí)際”功率以外的任何收費(fèi)。
這種情況可能繼續(xù)長(zhǎng)期存在，因?yàn)?ldquo;修正”價(jià)格表對(duì)國(guó)家立法者來(lái)說(shuō)幾乎是不可能的。這是經(jīng)濟(jì)方面的問(wèn)題。在安全性方面，諧波(特別是三次諧波)可以導(dǎo)致三相失衡，伴隨電流在“Y”型地線上流動(dòng)。而Y型地線通常無(wú)法承載巨大的電流。
PFC諧波除了在機(jī)器和變壓器線圈上產(chǎn)生過(guò)流外，還會(huì)在電容和電纜上產(chǎn)生損耗和電介應(yīng)力。欲了解更詳細(xì)的分析，請(qǐng)參考Basu,et al發(fā)表的“PFC Strategies in light of EN 61000-3-2”。
調(diào)整功率因數(shù)
有趣的是，主電源從一開(kāi)始就很容易受到干擾。第一個(gè)用于控制電網(wǎng)干擾的規(guī)章制度是1899年制訂的英國(guó)照明條款法案(BLCA)，其目的是防止不受控的弧光燈造成白熾燈閃爍。
在1978年和1982年，業(yè)界發(fā)布了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 555-2“交流主電源中的諧波注入”和IEC 555-3“由家用設(shè)備和類似電氣設(shè)備引起的電源系統(tǒng)干擾——第三部分：電壓波動(dòng)”(后來(lái)這些標(biāo)準(zhǔn)被更新為IEC1000標(biāo)準(zhǔn))。
和這些標(biāo)準(zhǔn)一樣，電流標(biāo)準(zhǔn)出自歐洲，但幾乎全球通用。在日本、澳大利亞和中國(guó)都發(fā)布過(guò)有關(guān)電力線諧波的政府規(guī)章。
在歐盟，標(biāo)準(zhǔn)IEC/EN61000-3-2“電磁兼容(EMC)第3-2部分-限制-諧波電流輸出限制(設(shè)備輸入電流≤每相16A)”為最大電源指標(biāo)為75W至600W的設(shè)備規(guī)定了最高39次諧波的電流極限。它的“D類”要求(最嚴(yán)格的)適用于個(gè)人計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)監(jiān)視器和電視接收機(jī)。(A類、B類和C類要求涵蓋設(shè)備、電源工具和照明)。
上述標(biāo)準(zhǔn)真正要表達(dá)的是什么內(nèi)容呢?在IEC 61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)下，D類諧波電流的限制用消耗的每瓦毫安數(shù)表示(表1)。
全球性調(diào)整
不方便的是，IEC61000-3-2是面向歐洲的標(biāo)準(zhǔn)，它基于的是墻上插座處的230V單相和230/400V三相電源。因此，對(duì)于北美的120/240V主電壓來(lái)說(shuō)必須調(diào)整電流限制。
雖然IEC61000-3-2為在歐盟銷售的電源規(guī)定了強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，但北美地區(qū)也有自發(fā)性的標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)能源部的能源之星計(jì)算機(jī)規(guī)范就包含了針對(duì)臺(tái)式電腦的“80 Plus”電源要求。(后來(lái)修改的80 Plus是一個(gè)美國(guó)/加拿大電力公司資助的折扣計(jì)劃，用于補(bǔ)貼在低中范圍和峰值輸出時(shí)達(dá)到銘牌上額定功率的80%或更高效率的計(jì)算機(jī)電源額外付出的成本，這時(shí)可以達(dá)到至少0.9的功率因數(shù)。在參與計(jì)劃的公用電力公司服務(wù)的領(lǐng)域中，電力公司為出售的每臺(tái)臺(tái)式電腦或服務(wù)器分別支付5美元或10美元)。
在2008年，80 Plus計(jì)劃經(jīng)過(guò)擴(kuò)展開(kāi)始認(rèn)可更高效率的電源，最初使用奧林匹克獎(jiǎng)?wù)碌念伾恒~、銀和金來(lái)表示，后來(lái)還增加了鉑(表2)。新的子類有助于擴(kuò)大計(jì)劃品牌效應(yīng)，并有可能向領(lǐng)先的參與制造商提供更大的消費(fèi)折扣。
在表2中，“冗余”指服務(wù)器系統(tǒng)制造商工作在230V交流電源下并使用多個(gè)電源向負(fù)載供電時(shí)的實(shí)際做法。一些系統(tǒng)可能擁有多達(dá)6個(gè)電源，因此如果某個(gè)電源發(fā)生故障，其它電源可以吸收故障電源分擔(dān)的負(fù)載。
低于20%負(fù)載
對(duì)80 Plus的抱怨之一是它沒(méi)有針對(duì)極低負(fù)載水平規(guī)定效率目標(biāo)。這似乎是一件不值得做的事，但當(dāng)有大量計(jì)算機(jī)工作時(shí)(如服務(wù)器群)時(shí)就不是這么回事了，因?yàn)槠渲械脑S多計(jì)算機(jī)在某一特定時(shí)刻可能處于待機(jī)或睡眠模式。具有諷刺意味的是，處理器的節(jié)能模式與盡可能節(jié)省交流電源功率之間似乎是矛盾的。
更重要的也許是以下兩方面之間的沖突：一方面是像IEC61000-3-2那樣規(guī)定對(duì)諧波失真各個(gè)分量的要求，另一方面是像高級(jí)80 Plus標(biāo)準(zhǔn)那樣規(guī)定單個(gè)值，例如功率因數(shù)為0.9。
德州儀器(TI)的Isaac Cohen和Bing Lu在合著的白皮書(shū)“高功率因素和高效率：兩者可以兼得(High Power Factor and High Efficiency – You Can Have Both)”中提供了對(duì)這些問(wèn)題的有趣分析。在這篇論文的開(kāi)頭，作者就計(jì)算了IEC61000-3-2 D類規(guī)范規(guī)定的D類諧波水平所代表的功率因數(shù)。經(jīng)過(guò)一些簡(jiǎn)化后，功率因數(shù)表達(dá)式被精簡(jiǎn)為：
由于0.726遠(yuǎn)小于0.9，因此只滿足歐盟標(biāo)準(zhǔn)最低要求的電源將無(wú)法滿足能源之星要求。
更讓人感興趣的是，TI作者表示，根據(jù)功率因數(shù)的基本定義：負(fù)載從電壓或電流源吸收的平均功率(用瓦數(shù)表示)與出現(xiàn)在負(fù)載上的RMS電壓與負(fù)載中流動(dòng)的RMS電流乘積之比，理論上可以設(shè)計(jì)出一種簡(jiǎn)單的全波橋，并用方波驅(qū)動(dòng)，通過(guò)“模擬具有大電感值的感應(yīng)輸入濾波器”，這種橋可以滿足能源之星提出的0.9功率因數(shù)要求(詳情請(qǐng)參考上述白皮書(shū))。但是，對(duì)方波的傅里葉分析表明，所有11次以上諧波都超過(guò)了IEC61000-3-2的限制。
最終，正如白皮書(shū)標(biāo)題提示的那樣，問(wèn)題變得很奇怪。“幸運(yùn)的是，所有經(jīng)常使用的有源PFC電路吸收的輸入電流波型都能輕松符合兩種標(biāo)準(zhǔn)。”作者指出。
與TI一樣，安森美半導(dǎo)體(ON Semiconductor)已經(jīng)解決了協(xié)調(diào)問(wèn)題。在一次主題為“探討外部電源(EPS)的能源之星要求(草案1版本2.0)”的在線交流中，安森美公司提示美國(guó)能源部，滿足IEC61000-3-3的外部電源在百分之百額定輸出功率下測(cè)量時(shí)一般都具有0.85或更高的功率因數(shù)。
“更明確地說(shuō)，采用百分之百額定輸出功率和230V交流線路時(shí)，帶有源PFC前端的兩級(jí)外部電源可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)0.9的功率因數(shù)。”那篇論文解釋道，“不過(guò)反過(guò)來(lái)卻不成立，也就是說(shuō)，一個(gè)外部電源可能達(dá)到0.9的功率因數(shù)，但仍然可能達(dá)不到特定的奇次諧波電流，因而無(wú)法滿足IEC61000-3-2要求。”
與直接表述PFC要求而不是個(gè)別諧波有關(guān)的另一個(gè)問(wèn)題與設(shè)計(jì)效率有關(guān)。單級(jí)PFC拓?fù)湟獫M足建議的230V交流線上的功率因數(shù)規(guī)范，安森美表示，必需做一定的電路修改，這將導(dǎo)致少量的效率損失，并增加一定的成本。
“對(duì)于單級(jí)外部電源來(lái)說(shuō)功率因數(shù)通常超過(guò)0.8。建議的功率因數(shù)要求將取消單相拓?fù)?，這是創(chuàng)建銘牌輸出功率低于150W的高效外部電源(如筆記本適配器)的最具成本效益的方式之一。”安森美公司表示。
請(qǐng)注意這里強(qiáng)調(diào)的是單級(jí)。它打開(kāi)了TI和安森美提出的有趣設(shè)計(jì)問(wèn)題的解決之門。為了理解這些問(wèn)題，讓我們先看看實(shí)際的PFC設(shè)計(jì)方法。
實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)的途徑
由于不連續(xù)的輸入濾波器充電電流會(huì)在開(kāi)關(guān)模式電源中形成低功率因數(shù)，解決方法是增大整流器的導(dǎo)通角。解決方案包括無(wú)源和有源PFC以及無(wú)源或有源濾波。
無(wú)源PFC在電源輸入端有一個(gè)電感。無(wú)源PFC看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但不實(shí)用，究其原因包括必要的電感、傳導(dǎo)損耗以及與輸出濾波電容的可能的諧振。
如上所述，之所以出現(xiàn)交流輸入開(kāi)關(guān)模式電源中的功率因數(shù)問(wèn)題，是因?yàn)閮H在部分交流電源電壓波形超過(guò)大容量存儲(chǔ)(濾波器)電容上的直流電壓時(shí)，才能從電力線吸取電流。這種非對(duì)稱電流汲取會(huì)在電力線上引入交流線路電壓諧波。
基本的 PFC概念(圖2)相當(dāng)簡(jiǎn)單。控制電路開(kāi)關(guān)MOSFET以便通過(guò)電感用填充間隙的方式汲取電流，否則間隙中就會(huì)出現(xiàn)諧波。
圖2：AC-DC電源中的PFC包括利用控制電路開(kāi)關(guān)一個(gè)MOSFET，以便通過(guò)電感用填充間隙的方式汲取電流，否則間隙中將出現(xiàn)諧波。
PFC控制器可以設(shè)計(jì)為工作在多種模式：臨界導(dǎo)通模式(也稱為轉(zhuǎn)換模式)和連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)。區(qū)別在于MOSFET開(kāi)關(guān)操作的速度，它決定了電感電流(和電感中的能量)是否接近零或保持較高水平。
術(shù)語(yǔ)“臨界”和“轉(zhuǎn)換”反映了每次電流接近0A，電感處于能量接近0點(diǎn)的事實(shí)。轉(zhuǎn)換模式工作可以實(shí)現(xiàn)0.9的功率因數(shù)。但是，轉(zhuǎn)換模式僅限于較低功率水平，一般在600W以下。由于只使用了相對(duì)很少的元件，因而非常經(jīng)濟(jì)。這類應(yīng)用包括照明整流器和LED照明以及消費(fèi)電子。
CCM的電路拓?fù)漕愃婆R界導(dǎo)通模式。但與較簡(jiǎn)單模式不同，它的紋波電流具有低得多的峰峰幅度，并且不會(huì)到0A。電感中總是有電流流過(guò)，不會(huì)在每個(gè)脈沖寬度調(diào)制(PWM)周期釋放掉所有能量，因此是“連續(xù)的”。
在本例中，平均電流將產(chǎn)生更高質(zhì)量的復(fù)合交流電流，因此有可能實(shí)現(xiàn)接近1的功率因數(shù)。這一點(diǎn)在較高功率電平時(shí)很重要，因?yàn)檩^大的電流會(huì)放大幅射和傳導(dǎo)的電磁干擾(EMI)水平，使臨界導(dǎo)通模式很難應(yīng)付。
PFC控制器設(shè)計(jì)
TI對(duì)此有一個(gè)有趣的解決方案，具體體現(xiàn)在其UCC28070兩相交錯(cuò)連續(xù)電流模式PFC控制器(圖3)中。UCC28070主要針對(duì)300W到數(shù)千瓦的電源，例如電信整流器或服務(wù)器前端中可能使用的電源。
圖3：TI的UCC28070功率因素校正芯片集成了兩個(gè)工作在180°反相的脈寬調(diào)制器。這種交錯(cuò)式PWM操作減少了輸入和輸出紋波電流，并使傳導(dǎo)EMI濾波更簡(jiǎn)單成本更低。
TI芯片設(shè)計(jì)背后的理念是對(duì)于較高功率水平，可以并聯(lián)兩個(gè)PFC相來(lái)提供更大的功率。這樣做還能獲得熱管理方面的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樵醋詢杉?jí)電路的熱損耗可以通過(guò)更大的電路板面積散發(fā)出去。簡(jiǎn)單并行操作的缺點(diǎn)是較高的輸入和輸出紋波電流。
TI指出，更好的替代方案是兩相交錯(cuò)，以便它們的電流處于180°反相狀態(tài)。這樣就不會(huì)形成紋波電流。事實(shí)上，超過(guò)兩相(圖4)的設(shè)計(jì)已經(jīng)很常見(jiàn)。在這些情況下，相位角是均勻分布的。在多相PFC中，由于較低的輸出紋波電流，無(wú)源元件的數(shù)量或物理尺寸可以比單相PFC中小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)成本、空間和EMI濾波器復(fù)雜性的良好折衷。
應(yīng)用通常推動(dòng)著PFC控制器的設(shè)計(jì)。例如安森美半導(dǎo)體的NCL30001 LED照明控制器，該器件主要用于40W和150W之間的12V及12V以上LED照明應(yīng)用，它整合了CCM PFC和一個(gè)回掃降壓型轉(zhuǎn)換器(圖5)。
雖然典型的LED照明電源可能是由一個(gè)給400V總線供電的PFC升壓級(jí)及隨后的隔離型DC-DC轉(zhuǎn)換器組成，但NCL30001數(shù)據(jù)手冊(cè)描述了一個(gè)更簡(jiǎn)單的方法，這個(gè)方法將前端轉(zhuǎn)換器(安森美稱之為PFC預(yù)穩(wěn)壓器)和DC-DC轉(zhuǎn)換器壓縮為一個(gè)只有少量元件的單級(jí)電源處理電路。該器件只需要一個(gè)MOSFET、一個(gè)電磁元件、一個(gè)低壓輸出整流器和一個(gè)低壓輸出電容。
安森美半導(dǎo)體公司的數(shù)據(jù)手冊(cè)提供了圖5所示部分電路的啟發(fā)性解釋。參考電壓發(fā)生器的輸出是輸入正弦波的經(jīng)整流版本，正比于反饋(FB)，且反比于前饋(VFF)值。交流誤差放大器迫使電流感測(cè)放大器的平均輸出電流匹配參考電壓發(fā)生器的輸出。這個(gè)輸出(VERROR)通過(guò)參考電壓緩沖器驅(qū)動(dòng)PWM比較器，而PWM比較器則累加VERROR值和瞬時(shí)電流值，并將結(jié)果與4.0V閾值進(jìn)行比較。通過(guò)合適的補(bǔ)償后，這個(gè)設(shè)計(jì)就可以提供占空比控制。