能源使用和效率水平正受到比以往任何時候都更嚴格的審查，因為消費者越來越關心他們的水電費的規模，而企業主希望遏制他們不斷上升的運營費用。所有這一切都因日益重要的環境因素而進一步惡化，人們普遍認識到低效設備會產生廢熱，最終會對生態產生不利影響。

在電力電子領域，轉換效率一直是討論的關鍵話題，也是任何數據表中的主要參數之一。為了以最有利的方式展示他們的產品，電源制造商通常會引用“最佳”數字，這通常是大約 80% 負載時的單一值。然而，應該注意的是，在實際應用中，所消耗的功率可能根本不在這個水平上。

負載可能會發生顯著波動——這取決于它們的運行方式，并且在冗余配置中，所消耗的功率始終會低得多（除非發生故障情況）。這意味著系統的實際效率可能遠低于引用的效率值所暗示的。

認識到這種情況的嚴重性，標準機構、行業團體和政府機構制定了新能源指南。這些指南通常采用引用效率曲線的形式，這些曲線規定了所有運行負載（從 20% 到滿負載）的最低可接受效率水平。因此，設計工程師已經能夠評估電力系統中的基本構建塊，以確定會發生損耗的位置，然后采取行動消除它們，從而確保滿足新的效率準則。功率因數校正 （PFC） 對于解決潛在損耗源至關重要，應相應實施。

了解電力系統中的損耗

無電源系統將非常高效，雖然現代開關半導體器件現在提供前所未有的性能水平，但在運行過程中總會有一些損失，從而導致效率水平降低。在電力系統中，有兩種類型的損耗需要注意：開關損耗和傳導損耗。

傳導損耗包括橋式二極管正向電壓引起的損耗，它與系統功率和開關器件（如 MOSFET 和 IGBT）的導通電阻成正比。這些與整個系統功率的平方成正比。由于它們會隨著輸送的功率而增加，因此它們在接近滿載的情況下往往會產生更大的影響。傳統上，最集中的地方曾經應用在這里。

第二種損耗是開關損耗。隨著設計工程師努力提高功率密度水平并減小系統尺寸，開關頻率不斷增加，從而可以減小系統中包含的龐大磁性組件的尺寸。開關損耗與寄生電容（例如在開關器件柵極中發現的那些）的不斷充電有關。這些與開關頻率成正比，并且在整個工作功率范圍內保持一致。這些損耗往往在較低功率水平下最為普遍，它們會對系統效率產生重大影響。

那么為什么 PFC 對效率如此重要呢？

公用事業公司提供的所有電網電源都是交流電，電壓波形始終為正弦波。然而，電流波形的形狀和相位不一定是正弦的，而是由被供電的負載決定的。對于最簡單的純電阻負載，例如加熱元件，負載電流與電壓同相并保持正弦。計算在這種情況下提供的功率僅僅是將電壓和電流相乘的問題。

其他類型的負載，例如電機，可能包括電抗組件（電感或電容）。在這種情況下，雖然電流波形保持正弦曲線，但它將相對于電壓波形發生相移，負載中的電抗量決定相移量。功率計算需要考慮相位，因此有功功率由下式確定：

有功功率 = V * I * cos（Φ）

這里 f 代表電壓和電流波形之間的相位角，cos（Φ） 被稱為“位移因子”。在阻性負載中，電流和電壓在 cos（Φ） 相位中的值為 1——這意味著有功功率仍然是電壓和電流的乘積，正常情況下。然而，實際負載通常不會那么簡單，尤其是在負載是開關模式電源 （SMPS） 的情況下。這些單元通常有一個二極管橋式整流器和浪涌電容器，這會導致電流波形失去其正弦形狀并變成一系列尖峰。

由于波形失真且不再是正弦波，因此使用與波形的總諧波失真 （THD） 相關聯的“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中，適用以下公式：

有功功率 = V * I * cos（Θ）

在電流波形同時發生相移和失真的情況下，事情會變得稍微復雜一些。這里必須同時應用位移因子和失真因子：

有功功率 = V * I * cos（Θ） * cos（Φ）

任何系統的功率因數只是兩個因素的乘積：

功率因數 = 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，功率因數越低，因此有功功率越低。由于功率因數也會影響效率，這現在是電源設計人員需要解決的一個關鍵領域。

修正功率因數的必要性

相對復雜的數學將表明，如果頻率相同，將兩個正弦波形相乘只能給出大于零的值。因此，可以推斷諧波電流對系統的有用輸出功率沒有貢獻，應該減少或消除。

這正是被大多數人認為是主要 PFC 標準 EN 61000-3-2 所采用的方法。與包括美國環境保護署 （EPA） 能源之星在內的許多現代效率規范一樣，EN61000-3-2 旨在通過定義諧波電流的嚴格限制來降低電流波形的 THD，直至 40次諧波。

實現 PFC 的最常見方法是在橋式整流器和大容量電容器之間插入一個有源級，使用商用 PFC 控制器中的幾種常見控制方案之一。可能最廣泛使用的控制方案是連續傳導模式 （CCM），它以固定頻率運行，通常用于更高功率 （》300W） 的系統中。一種流行的替代方法是臨界傳導模式 （CrM） 控制。這通過僅在電感器電流降至零時才切換，從而無需快速恢復二極管。這會降低系統成本，但會導致開關頻率可變。CrM 在低功率系統中尤其普遍，例如用于照明的系統。

PFC 控制方案有進一步的增強，其目標是提供更高程度的效率，例如將工作頻率限制在定義的范圍內。一些控制方案會根據負載變化改變導通模式，以確保達到最佳效率。

實用的 PFC 解決方案

雖然可以使用分立元件從頭開始設計 PFC 機制，但這種情況很少發生。大多數工程師會選擇使用內置 PFC 控制方案的現成控制 IC。 ON Semiconductor 的 FL7921R CrM 照明控制器是一種高度集成的器件，它結合了 PFC 控制器和準諧振 （QR） PWM 控制器。 它采用受控導通時間技術提供穩壓直流輸出，執行自然 PFC。該 IC 包括一個 THD 優化器，可減少過零處的輸入電流失真，從而提高功率因數。PFC 功能始終開啟以確保功率因數始終得到充分優化，包括在所有重要的輕負載下（圖 1 和 2）。

圖 2：FL7921R 的功能框圖

STMicroelectronics 的 STNRGPFx2 是一款雙通道交錯式 CCM PFC 數字控制器，旨在用于更高功率的 PFC 升壓應用，例如焊接、工業電機、電池充電器和電源。這種固定頻率器件能夠驅動兩個交錯的 PFC 通道，包括浪涌電流限制，以及更復雜的功能，如切相操作。使用 STMicroelectronics 的 eDesignSuite，客戶可以快速輕松地配置設備。

概括

管理和控制現代電力系統的功率因數是提高所有運行條件下效率的關鍵，包括傳統上效率非常低的輕負載。在具有挑戰性的效率規范的推動下，隨著消費者和公司越來越意識到運營成本和浪費能源對環境的不利影響，充足的 PFC 現在是一項關鍵的采購要求。幸運的是，有許多高度集成的控制器可供工程師使用，使工程師能夠輕松實施各種復雜的 PFC 方案，以適應他們的特定應用。

審核編輯：郭婷