隨著消費者越來越關(guān)注公用事業(yè)賬單的規(guī)模,，企業(yè)主希望遏制螺旋式增長的運營費用,，能源使用和效率水平受到了前所未有的嚴(yán)格審查。日益重要的環(huán)境因素進一步加劇了所有這些問題,，人們普遍認(rèn)識到,，效率低下的設(shè)備會產(chǎn)生廢熱，最終將產(chǎn)生有害的生態(tài)影響,。那么如何實現(xiàn)實現(xiàn)新效率目標(biāo)的基本要素呢?
在電力電子領(lǐng)域,，轉(zhuǎn)換效率一直是討論的關(guān)鍵主題，也是任何數(shù)據(jù)表中的主要參數(shù)之一,。為了以最有利的方式展示其產(chǎn)品,，電源制造商通常會引用“最佳可能”數(shù)字，該數(shù)字通常是負(fù)載約為80%時的單個值,。但是,，應(yīng)注意，在實際應(yīng)用中,，所汲取的功率可能根本不在此水平,。負(fù)載可能會大幅波動-取決于它們的運行方式，在冗余配置中,，消耗的功率將始終低得多(除非發(fā)生故障情況),。這意味著系統(tǒng)的實際效率可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于引用的效率值所暗示的。
認(rèn)識到這種情況的嚴(yán)重性,，標(biāo)準(zhǔn)機構(gòu),，行業(yè)團體和政府機構(gòu)制定了新的能源指南,。這些準(zhǔn)則通常采用引用效率曲線的形式，該曲線規(guī)定了從20%到滿負(fù)載的所有運行負(fù)載的最低可接受效率水平,。因此,，設(shè)計工程師已經(jīng)能夠評估電力系統(tǒng)中的基本組成部分，以識別將在何處發(fā)生損失,，然后采取措施消除損失,，從而確保滿足新的效率準(zhǔn)則。功率因數(shù)校正(PFC)在解決潛在損失的來源方面至關(guān)重要,，應(yīng)相應(yīng)地實施,。
了解電力系統(tǒng)的損失
無電源系統(tǒng)將是完美的效率，而現(xiàn)代的開關(guān)半導(dǎo)體器件現(xiàn)在可提供前所未有的性能水平,，但在操作過程中始終會存在一些損耗,，從而導(dǎo)致效率水平降低。在電力系統(tǒng)中,，有兩種類型的損耗需要注意：開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗,。傳導(dǎo)損耗包括由橋式二極管的正向電壓引起的損耗，該正向電壓與系統(tǒng)功率以及諸如MOSFET和IGBT等開關(guān)器件的導(dǎo)通電阻成比例,。這些與整個系統(tǒng)功率的平方成正比,。由于它們會隨著輸出功率的增加而增加，因此它們傾向于在更接近滿負(fù)載的情況下發(fā)揮更大的作用,。傳統(tǒng)上,，這里是最關(guān)注的焦點。
第二類損耗是開關(guān)損耗,。隨著設(shè)計工程師努力提高功率密度水平并減小系統(tǒng)尺寸,，開關(guān)頻率不斷提高，從而減小了集成到系統(tǒng)中的笨重磁性元件的尺寸,。開關(guān)損耗與寄生電容(例如開關(guān)器件柵極中的寄生電容)不斷充電有關(guān),。它們與開關(guān)頻率成正比，并且在整個工作功率范圍內(nèi)保持一致,。這些損耗往往在較低的功率水平上最為普遍,，這會對系統(tǒng)效率產(chǎn)生重大影響。
那么,，PFC為什么對效率如此重要?
電力公司提供的所有電網(wǎng)電源都是交流電,，并且電壓波形始終為正弦波。但是,，電流波形的形狀和相位不一定是正弦波,，而是由供電負(fù)載決定的。對于最簡單的純電阻負(fù)載(例如加熱元件),，負(fù)載電流與電壓同相并保持正弦曲線,。在這種情況下,，計算輸出的功率僅是將電壓和電流相乘的問題。其他類型的負(fù)載(例如電動機)可能包括電抗組件(感性或容性),。在這種情況下,，當(dāng)電流波形保持正弦波狀時，它將相對于電壓波形發(fā)生相移,，而負(fù)載中的電抗量將決定相移量,。功率計算需要考慮相位，因此有效功率由以下公式確定：
有功功率= V * I * cos(Φ)
這里f表示電壓和電流波形之間的相角,，而cos(Φ)被稱為“位移因數(shù)”,。在電阻性負(fù)載中，電流和電壓在同相中cos(Φ)的值為1 –表示正常功率仍然是電壓和電流的乘積,。但是,，實際負(fù)載通常不是那么簡單，尤其是在負(fù)載是開關(guān)電源(SMPS)的情況下,。這些單元通常具有二極管橋式整流器和浪涌電容器,，這將導(dǎo)致電流波形失去其正弦形狀并變成一系列尖峰。
當(dāng)波形失真且不再是正弦波時,，將使用與波形的總諧波失真(THD)關(guān)聯(lián)的“失真因子”(cos(Θ))計算有功功率,。因此，在電流和電壓同相但電流波形非正弦的系統(tǒng)中,，適用以下公式：
有功功率= V * I * cos(Θ)
在電流波形既有相移又有失真的情況下，情況會變得有些復(fù)雜,。在此,，必須同時應(yīng)用位移因子和失真因子：
有功功率= V * I * cos(Θ)* cos(Φ)
任何系統(tǒng)的功率因數(shù)僅是兩個因素的乘積：
功率因數(shù)= cos(Θ)* cos(Φ)
實際上，這意味著電壓和電流之間的相位差越大,，或者電流波形越失真,，功率因數(shù)就越低，因此有功功率就越低,。由于功率因數(shù)也會影響效率,，因此這現(xiàn)在是功率設(shè)計人員需要解決的關(guān)鍵領(lǐng)域。
需要校正功率因數(shù)
相對復(fù)雜的數(shù)學(xué)表明,，如果頻率相同,，將兩個正弦波形相乘只能得到大于零的值。結(jié)果,，可以推斷出諧波電流對系統(tǒng)的有用輸出功率沒有貢獻,，應(yīng)該減少或消除。正是這被大多數(shù)人認(rèn)為是主要的PFC標(biāo)準(zhǔn)EN 61000-3-2所采用的方法,。與許多現(xiàn)代效率規(guī)格(包括美國環(huán)境保護署(EPA)的能源之星)一樣,，EN61000-3-2試圖通過定義嚴(yán)格的諧波電流限制來降低電流波形的THD,，直到40次諧波為止。
實現(xiàn)PFC的最常見方法是,，使用市售PFC控制器中的幾種常見控制方案之一,，在橋式整流器和大容量電容器之間插入一個有源級?？赡茏顝V泛使用的控制方案是連續(xù)傳導(dǎo)模式(CCM),，該模式以固定頻率運行，并且經(jīng)常在功率更高(> 300W)的系統(tǒng)中找到,。流行的替代方法是臨界傳導(dǎo)模式(CrM)控制,。通過僅在電感器電流降至零時才進行開關(guān)，從而無需快速恢復(fù)二極管,。這降低了系統(tǒng)成本,，但導(dǎo)致了可變的開關(guān)頻率。 CrM在低功率系統(tǒng)(例如照明系統(tǒng))中特別普遍,。
PFC控制方案還有進一步的增強,，其目的是提供更高的效率，例如將工作頻率限制在定義的范圍內(nèi),。一些控制方案響應(yīng)于負(fù)載變化而改變傳導(dǎo)模式,，以確保實現(xiàn)最佳效率。
實用的PFC解決方案
盡管可以使用分立組件從頭開始設(shè)計PFC機制,，但這很少見,。大多數(shù)工程師會選擇使用內(nèi)置有PFC控制方案的現(xiàn)成控制IC。安森美半導(dǎo)體的FL7921R CrM照明控制器是一種高度集成的器件,，將PFC控制器與準(zhǔn)諧振(QR)PWM控制器結(jié)合在一起,。它采用受控導(dǎo)通時間技術(shù)來提供穩(wěn)定的DC輸出，執(zhí)行自然的PFC,。該IC包括一個THD優(yōu)化器,，可減少過零時的輸入電流失真，從而提高功率因數(shù),。 PFC功能始終處于打開狀態(tài),，以確保始終在包括最重要的輕負(fù)載下始終充分優(yōu)化功率因數(shù)(圖1和2)。
意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)的STNRGPFx2適用于焊接,，工業(yè)電動機,，電池充電器和電源等高功率PFC升壓應(yīng)用，是一種兩通道交錯式CCM PFC數(shù)字控制器,。該固定頻率設(shè)備能夠驅(qū)動兩個交錯的PFC通道,，并具有浪涌電流限制，以及諸如分相操作之類的更復(fù)雜的功能,。使用意法半導(dǎo)體的eDesignSuite,，客戶可以快速輕松地配置該設(shè)備(圖3),。
總結(jié)
管理和控制現(xiàn)代電力系統(tǒng)的功率因數(shù)是提高所有工作條件下效率的關(guān)鍵，包括傳統(tǒng)上效率非常低的輕負(fù)載,。在具有挑戰(zhàn)性的效率指標(biāo)的驅(qū)動下,，由于消費者和公司越來越意識到運營成本以及廢能源對環(huán)境的不利影響，充足的PFC現(xiàn)在已成為關(guān)鍵的采購要求,。幸運的是,，有許多高度集成的控制器可供使用，使工程師可以輕松實現(xiàn)各種復(fù)雜的PFC方案以適合其特定應(yīng)用,。以上就是實現(xiàn)實現(xiàn)新效率目標(biāo)的基本要素的一些方法,。