功率因数校正
2022-12-16
有些时候，我们在设计中使用较少的工程周期和资源，不是因为我们打算或得到可持续的产品，而是因为这是一种义务。功率因数校正是一个很好的例子，一个电路(或多个电路)不利于尺寸、重量或功率优化目标，尽管它可能是电磁兼容性(EMC)的关键决定因素，并减轻了公共事业单位产生的大量耗散功率。
视在功率、无功功率和有功功率
图 1 – 主要感性负载的交流电压、电流和视在功率。电流滞后于电压，无功功率可能为负值（负载正在向电源供电）[1]
电压和电流波形未对齐的影响是施加的全部功率（视在功率）无法作为可用功率或有功功率提供给负载，因为一些能量会再循环或反射回电源（无功功率）。
下图演示了这一点，是一个很好的助记符 (CIVIL) 来协助记住不同电抗组件类型的电流/电压超前或滞后的关系。
下图以数学和图像强调这些概念以及它们之间的关系，以一杯啤酒来做比喻（啤酒泡沫不「 工作」）。
图 2 – 视在功率矢量图。无功功率不做功，就如啤酒顶部的泡沫 [1]
什么是功率因数校正 (PFC)？
功率因数 (PF) 定义为有功功率与视在功率的比值（或上图中 φ 所示波形之间相位角的余弦）。将它视为实际进入负载的可用功率的百分比，因此就有了以下疑问：其余的功率 (1 – PF) 去哪了？物理告诉我们，如果「其他」功率不流向负载，那么它必须流向其他地方，即它被反射回电源而不被使用。只有当电压和电流波形之间的相位角为 0° 时才能实现理想的 PF (1)，也就是当所有提供的能量都被负载使用，没有任何能量反射回电源。这些概念和它们之间的关系在下面的图中以数学和图形的方式突出显示，以啤酒杯为例(啤酒头不起作用)。
等式 1 – 定义功率因数，其中ϕ是相位角
因此，如果功率因数越接近 1，我们就越能利用提供的电源。功率因数校正 (PFC) 是用来改善电流和电压波形以提高功率因数的电路术语。PFC 解决方案 可以是无源（例如，增加电感以抵消容性负载的影响）或有源（使用开关晶体管来控制电流波形）。
需要注意的是使用 PFC 的动机。大多数电表只测量消耗的有功功率而忽略无功功率。然而，电力供应商仍必须提供足够的余量来满足瞬时功耗，包括无功组件。由于电力公司有降低发电和输电成本的压力，因此通常由法令（例如规则和法规）规定最低的 PF 要求，否则没有制造商会选择为他们的电源增加成本（或是稍微对整体效率造成影响）。事实上，PFC 解决方案通常与尺寸、重量和功率（又名 SWaP）最大化的基本价值主张相违背，因为 PFC 前端会占用空间并增加整体损耗。简言之，大多数工程师使用PFC是因为他们必须而不是因为他们想要！
PF 对谐波和 THD 的贡献
图 3 –输入电流波形失真和相关的谐波曲线 [1]
较低的 PF 意味着输入线路上的失真较大，这就是为什么在同一输入电路上安装多个电源的最低额定PF要求会比较高。注意：满足所有相关法规的电源解决方案如果有太多单元时仍可能对电力线质量造成影响。即使 PF 非常高（>0.98），如果无功组件数量太多，累积起来的效应不容忽视。
要看到多远的频率是由基频决定，但它可能很容易扩展到无线电频率 (RF)。由于这种射频能量以传导（返回线路）和辐射（进入空间）电磁能量的形式发射，因此有国际标准或法规来规范特定频率的电磁能发射限制。下表总结了其中一些参考资料以及来源。大多数人关注电磁干扰 (EMI) 的电磁兼容性 (EMC) 限制，因此可以查看各种频率范围和限制以了解它们所面临的问题。
| 标准/法规 | 标准/法规说明 | 网页链接 |
|---|---|---|
| 《美国联邦法规》第47卷第15部分 | 射频设备 - 传导 (0.15-30 MHz) 和辐射 (30–1000 MHz) EMI 限制 | https://www.ecfr.gov/current/title-47/chapter-I/subchapter-A/part-15 |
| CISPR 32:2015+AMD1:2019 CSV (合并版) | 多媒体设备的电磁兼容性 - 辐射要求 | https://webstore.iec.ch/publication/65836 |
| EMC指令, 2004/108/EC | 欧盟电磁兼容指令 | https://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:L:2004:390:0024:0037:en:PDF |
| 谐波标准IEC 61000-3-2 Ed. 5.1 en:2020 | 电磁兼容性 (EMC) – 第 3-2 部分：限值 – 谐波电流发射限值（每相输入电流不大于16） --> - 电源 >75 W 需要 PFC，LED 驱动器是 25 W。 | https://webstore.ansi.org/Standards/IEC/IEC61000Eden2020 |
| IEC 60601-1-2 Ed. 2.0 en:2001 | 医疗电气设备 - 第 1-2 部分：安全的一般要求 - 附属标准：电磁干扰 - 要求和测试 | https://webstore.ansi.org/Standards/IEC/IEC60601Eden2020-2421828 |
表 1 – 全球 EMC 标准
虽然有点离题，但应该要注意射频辐射的影响是双向的。虽然大部分的注意力都放在确保被测系统或被测设备 (DUT) 的 EMC，但 DUT 也容易受到来自环境的外部射频的影响。这种敏感性的例子是高能辐射粒子（通常来自太空）的轰击，这促使设计人员在设计中包含抗扰度（例如在这个例子就是抗辐射）并执行敏感性测试作为认证过程的一部分。
PFC 解决方案快速概览
图 4 – 无源 PFC：PFC 扼流圈部分抵消了由输出电容器 C 引起的相移。电压/电流图显示输入电流如何被 PFC 扼流圈「延迟」以提供更好的整体PF值。[1]
如果您还记得我们的 CIVIL 助记符所述，电容导致电流波形超前于电压波形而电感反之，这意味着我们可以将相位角向一个方向或另一个方向移动以追求最大 PF。在电源输入端直接使用这些能量存储组件称为无源 PFC。使用带有半导体开关的组件称为有源 PFC（基本上是在输入端增加一个额外的开关电源）。
最简单的无源 PFC 电路是在电源的整流阶段之前添加一个串联电感（也称为 PFC 扼流圈），其波形如下图所示。虽然这个方法很简单，但它的缺点是通常需要更大更重的电感器，以及将可实现的最大 PF 限制在 ~0.7（没有任何 PFC 为 ~0.4）。此外，PFC 扼流圈的尺寸必须针对有限的输入电压范围，因此不适合支持全球通用交流输入因为会导致更大更重的解决方案。
图 5 – 有源 PFC 电路。[1]
有源 PFC 解决方案减轻了刚才提到的大部分缺点。有源 PFC 最常见的拓扑是升压型转换器。在此类电源转换中，有少数拓扑用来实现有源 PFC（例如非连续导通模式(DCM)、连续导通模式(CCM)以及临界导通模式(CrCM)或边界导通模式）。这些拓扑的全面概述不在本讨论范围内，如需更多信息请参阅 [1]。
升压转换器会提高输入电容器上的电压并让它在宽输入电压范围内保持充电，因此全球通用交流电。为了藉由上述的拓扑来实现统一 PF，它会确保流过 PFC 扼流圈的平均输入电流紧跟着输入电压。每个拓扑在 SWaP 和 EMI 影响上都各有利弊。下图的例子是一个由专用控制器驱动的有源 PFC 电路以及输入和输出电压波形。
现代的有源 PFC 电路则利用氮化镓 (GaN) 开关开关的特性，由于该开关缺少体二极管来形成整流桥（与硅 MOSFET)不同），因此可以实现更高效的 PFC。这被称为无桥 PFC（又名图腾柱 PFC），下图为带有控制器的电路以呈现 GaN 和 Si 开关之间的区别。
图 6 – 无桥 PFC 控制器框图（有数字控制和补偿），Q1/2 是 GaN、Q3/4 是 Si（有反向二极管）。[1]
图 7 – 交错式 PFC 电路。[1]
实施PFC的最后一个考虑因素是利用多相电源转换器提供的优势，例如将每个桥臂处理的电流减半然后在输出端彼此反相组合来减少发热和器件应力。较大的 PFC（通常由磁体主导）可以设计为全额定电流的一半，并在相等的两相交错。
无论是尝试最大化 EMC 性能或是确保大量单元在一个输入总线时线路质量仍是可被接受的，PFC 不只是一种「可有可无」的功能，而是应该作为整体电源解决方案和部署的一部份并予以慎重考虑。
文献
[1] S. Roberts, “AC/DC Book of Knowledge: Practical tips for the User,” Second Edition, RECOM Power Technical Reference, 2019, https://recom-power.com/en/support/resource-library/book-of-knowledge/book-of-knowledge.html.[2] Wikipedia contributors, "Fourier series," Wikipedia, The Free Encyclopedia, https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Fourier_series&oldid=1086936212 (accessed June 24, 2022).
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