了解PFC對(duì)實(shí)現(xiàn)高能效至關(guān)重要

Joel Turchi

幾乎每個(gè)人都意識(shí)到需要優(yōu)化能效，無論是力求在高能源價(jià)格時(shí)代限制成本的消費(fèi)者和企業(yè)運(yùn)營(yíng)商，還是期望滿足日益復(fù)雜的要求和眾多標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)人員。如果尚未以浪費(fèi)能源的高成本為動(dòng)力，那么產(chǎn)生能量對(duì)環(huán)境的影響就會(huì)隨著熱量的增加而成為越來越顯著的問題。

認(rèn)識(shí)到需要改進(jìn)，各國(guó)政府和行業(yè)協(xié)會(huì)都制定了書面標(biāo)準(zhǔn)，在某些情況下必須在產(chǎn)品投放市場(chǎng)前就滿足這些標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)注成本或有環(huán)保意識(shí)的客戶在做出購(gòu)買決定時(shí)依賴于這些標(biāo)準(zhǔn)，以確信他們?cè)谫?gòu)買高能效的產(chǎn)品。

需要解決的一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域是功率因數(shù)校正（PFC）級(jí)，包括電磁干擾（EMI）濾波器。

高能效不僅僅在單個(gè)點(diǎn)

對(duì)于任何與電源有關(guān)的應(yīng)用，能效一直是個(gè)問題，也是制造商在其規(guī)格中規(guī)定的一個(gè)參數(shù)。然而，在過去，高能效被認(rèn)為是單個(gè)點(diǎn)盡可能最好的數(shù)字，通常在滿載的75%左右。

因此，制造商將注意力集中在這一負(fù)載水平，以提高他們所理解的產(chǎn)品能效。但實(shí)際上器件在這個(gè)功率水平上只工作一小部分時(shí)間。在實(shí)際應(yīng)用中，特別是具有動(dòng)態(tài)負(fù)載的應(yīng)用中，這代表實(shí)際能效遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)期。

為了解決這種情況，現(xiàn)代能源標(biāo)準(zhǔn)考慮的是整個(gè)能效曲線的性能，而不僅僅是曲線上的最佳點(diǎn)。因此，設(shè)計(jì)人員正在研究如何設(shè)計(jì)電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，以在低負(fù)載和中等負(fù)載水平下工作得更好。最關(guān)鍵的一個(gè)領(lǐng)域是PFC級(jí)和EMI濾波器，二者共消耗高達(dá)8%的輸出功率。

PFC概述

電力公司的供電電壓總是正弦的，但線路電流的波形和相位取決于所供電的負(fù)載。對(duì)于最簡(jiǎn)單的電阻負(fù)載，負(fù)載電流也是正弦的，并且在相位上使功率易于計(jì)算。

如果負(fù)載中有電抗元件，如電感或電容器，則負(fù)載電流保持正弦，但相移與電壓有關(guān)。在這種情況下，有功功率（也稱為“實(shí)際”或“平均”功率）像以前一樣計(jì)算，但要乘以相角（“位移因子”）的余弦。無功負(fù)載越多，有功功率越低。

非線性負(fù)載的情況更復(fù)雜，例如集成一個(gè)二極管橋和大輸入電容的典型開關(guān)電源的輸入級(jí)。在這里，電流是一系列浪涌尖峰，計(jì)算功率要使用傅里葉變換（Fourier transformation）。

平均兩個(gè)正弦波的乘積需要復(fù)雜的計(jì)算，只有當(dāng)兩個(gè)波形具有相同的頻率時(shí)，才能給出一個(gè)非零的結(jié)果。但由此可以得出，只有基本分量才能提供真正的功率，而諧波只產(chǎn)生無用的循環(huán)電流。

與位移因子類似，失真因子模擬失真（非正弦）波形對(duì)實(shí)際功率的影響，將實(shí)際功率定義為均方根電壓、均方根電流和這兩個(gè)因子的乘積。進(jìn)一步分析將表明總諧波失真（THD）。

實(shí)際上，系統(tǒng)的功率因數(shù)只是位移和失真因子的乘積，因此，真正的功率是均方根電壓、均方根電流和功率因數(shù)的乘積。

校正功率因數(shù)的實(shí)用方法

涉及PFC的主要標(biāo)準(zhǔn)是EN 61000-3-2，這是為了最小化從電網(wǎng)提供的任何電流的THD而編寫的，通過定義從第二次到第四十次的所有諧波的最大幅值來實(shí)現(xiàn)。PFC的要求也在其他文件中（例如能源之星規(guī)范Energy Star）有所提及，許多人認(rèn)為這導(dǎo)致了PFC技術(shù)普遍用于許多應(yīng)用。

到目前為止，用于滿足這些標(biāo)準(zhǔn)的最常見（和最有效）的PFC是有源PFC。一種典型的方法是在輸入整流橋和大電容器之間添加一個(gè)PFC預(yù)穩(wěn)壓器，以提供恒定的電壓，同時(shí)確保電流波形是正弦的。

這種方法除了明顯提高功率因數(shù)外，還有許多好處。從PFC階段的輸出通常是一個(gè)相當(dāng)好的調(diào)節(jié)的400V，這使得下游轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)更容易，成本更低。另外，無脈沖電流降低了EMI濾波要求，減少了體積和成本.

然而，這種類型的PFC預(yù)轉(zhuǎn)換器不能達(dá)到100%的能效，因此，確實(shí)造成了系統(tǒng)損耗。在任何電源系統(tǒng)中，都有兩種主要類型的損耗，開關(guān)和導(dǎo)通。導(dǎo)通損耗是兩種損耗之和：一種由于橋二極管的正向電壓等因素與系統(tǒng)功率成正比，另一種與系統(tǒng)功率平方成正比，從而構(gòu)成阻抗損耗如MOSFET的導(dǎo)通電阻。在較高的功率水平下，后者對(duì)能效的影響最大。

另一方面，開關(guān)損耗很大部分與電流成正比，因此與傳輸?shù)墓β食烧?。而其它部分是恒定的，與系統(tǒng)的功率無關(guān)。它們是由寄生電容和電荷電流引起的，通常與系統(tǒng)的開關(guān)頻率成正比。隨著設(shè)計(jì)人員增加工作頻率以減少系統(tǒng)尺寸，開關(guān)損耗成為一個(gè)更大的挑戰(zhàn)，特別是在較低的功率水平下，它們?cè)谀苄p耗中占相當(dāng)大比例。

PFC控制方案

PFC的各種控制方案都是為了滿足不同系統(tǒng)的需要而開發(fā)的，但總目標(biāo)都是降低輕載下的開關(guān)損耗和較重負(fù)載下的導(dǎo)通損耗。

如圖所示，有三種基本的控制方案。連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）在固定頻率工作和限制電感電流紋波，同時(shí)支持更高損耗。它通常用于較高功率系統(tǒng)（>300W）。

臨界導(dǎo)通模式（CrM）在電感電流降到零時(shí)開始一個(gè)新的開關(guān)周期，從而可省去快速恢復(fù)二極管。這導(dǎo)致可變開關(guān)頻率具有較大紋波電流。這種簡(jiǎn)單而低成本的方案廣泛用于包括照明在內(nèi)的低功耗應(yīng)用。隨著低導(dǎo)通電阻的MOSFET越來越普遍，CrM正用于更高功率的應(yīng)用中。

頻率鉗位臨界導(dǎo)通模式（FCCrM）是在幾年前由安森美半導(dǎo)體推出的，用以限制CrM下的擴(kuò)頻。在頻率最高的輕載下，工作模式改為非連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM），以降低開關(guān)損耗。額外的電路解決了DCM中典型的“死區(qū)時(shí)間”，從而確保當(dāng)前的波形是正確的形狀。

安森美半導(dǎo)體提供廣泛的器件方案，包括功率因數(shù)控制器和電源開關(guān)，以及重要的設(shè)計(jì)資源，使設(shè)計(jì)人員有把握地開發(fā)PFC方案?！癈HINAPLAS國(guó)際橡塑展”亮點(diǎn)紛呈

一年一度的"CHINAPLAS國(guó)際橡塑展”猶如橡塑江湖的創(chuàng)新技術(shù)比武大會(huì)，吸引全球領(lǐng)先企業(yè)于展會(huì)上亮出過人招式。在距離"CHINAPLAS 2019國(guó)際橡塑展”開幕還有2個(gè)月的時(shí)間，展會(huì)主辦方舉辦媒體見面會(huì)，提前曝光超多亮點(diǎn)，以及高含金量的前沿科技，吹響展會(huì)的沖鋒號(hào)。

展會(huì)主辦方雅式展覽服務(wù)有限公司總經(jīng)理梁雅琪女士介紹到：“橡塑行業(yè)創(chuàng)新不止，我們主辦方也務(wù)求創(chuàng)新。此次舉辦的媒體見面會(huì)，為首次通過視頻連線會(huì)議的嶄新形式，實(shí)現(xiàn)來自北京、上海、深圳、廣州、佛山等不同空間的媒體，在同一時(shí)間里同步高效采訪?！痹跁?huì)上，梁總梳理了展會(huì)最值得關(guān)注的亮點(diǎn)。

亮點(diǎn)一：高光聚焦環(huán)保及可循環(huán)解決方案。‘℃HINAPLAS 2019國(guó)際橡塑展”多個(gè)維度積極回應(yīng)市場(chǎng)的強(qiáng)烈需求，聚焦環(huán)保及可循環(huán)解決方案，揮出連環(huán)組合拳，看點(diǎn)十足。

亮點(diǎn)二：洞見前沿趨勢(shì)，先行一步搶占商機(jī)?！癈HINAPLAS 2019國(guó)際橡塑展”期間，一場(chǎng)接一場(chǎng)的同期活動(dòng)頻放大招?！肮?.0未來工廠”，將透過落地的應(yīng)用案例為業(yè)界逐一破解。11大主題演講，將透過“科技講臺(tái)”這一王牌活動(dòng)進(jìn)行高效發(fā)布。

亮點(diǎn)三：規(guī)模繼續(xù)擴(kuò)容，甄選行亞先鋒企業(yè)。為了增加展示面積和科技數(shù)量，主辦方新設(shè)幾個(gè)額外展廳。展覽面積超過25萬平方米，展商數(shù)量由此增加到3;500：。預(yù)計(jì)參觀展會(huì)的觀眾數(shù)量相比上一次在廣州舉辦將有所突破，海外觀眾占比預(yù)估達(dá)到30%，彰顯展會(huì)的高度國(guó)際化‘

亮點(diǎn)四：風(fēng)云際會(huì)，共襄盛舉?！癈HINAPLAS 2019國(guó)際橡塑展”向全球廣發(fā)“英雄帖”，預(yù)計(jì)組織買家團(tuán)260個(gè)，其中海外的買家團(tuán)達(dá)60個(gè)。

亮點(diǎn)五：全球高“研”值創(chuàng)新科技巡禮。主辦方著力將"CHINAPLAS國(guó)際橡塑展”打造為一個(gè)高水準(zhǔn)、高質(zhì)量、高科技含量的交流與發(fā)布平臺(tái)。

梁總談到：“今年的展會(huì)亮點(diǎn)紛呈。是亮點(diǎn)，也是看點(diǎn)，更是不能拒絕參觀展會(huì)的理由。期待業(yè)界有識(shí)之士相聚在展會(huì)上，共同踏上橡塑科技前進(jìn)的步伐?！?/p>