功率因数校正基础知识

简介

功率因数校正 (PFC) 是客户在选择电源时寻求的功能之一，因为它对设备的整体效率起着巨大的作用。本文档介绍了功率因数校正 (PFC) 的基本事实和原理以及管理该功能的法规。它还讨论了常见的原因以及为了获得 PFC 应避免的事情。

什么是功率因数

功率因数 (pf) 定义为有功功率 (P) 与视在功率 (S) 之比，或表示电流和电压之间的相位角的余弦（对于电流和电压的纯正弦波）和电压波形（见图1）。功率因数可以在 0 到 1 之间变化，并且可以是感性的（滞后，指向上）或容性的（超前，指向下）。为了减少感应滞后，添加电容器直至 pf 等于 1。当电流和电压波形同相时，功率因数为 1 (cos (0°) = 1）。使功率因数等于 1 的全部目的是使电路看起来纯电阻（视在功率等于有功功率）。

有功功率（瓦）产生实际功；这是能量传输部分（例如电到电机的转速）。无功功率是产生磁场（损耗功率）以完成实际工作所需的功率，其中视在功率被视为电力公司提供的总功率，如图 1 所示。该总功率为通过主电源提供的电力，以产生所需的有功功率。

效率低下的原因

开关模式电源 (SMPS) 的一个问题是它们不使用任何形式的功率因数校正，并且输入电容器 CIN（如图 4 所示）仅在 VIN 接近 VPEAK 或 VIN 为大于电容器电压VCIN。如果 CIN 是使用输入电压频率设计的，则电流看起来会更接近输入波形（取决于负载）；然而，主线上的任何微小中断都会导致整个系统产生负面反应。也就是说，在设计SMPS时，CIN的保持时间设计得大于VIN的频率，这样，如果VIN出现毛刺，错过几个周期，CIN将有足够的能量存储以继续为其负载供电。

图 3 表示 VCIN(t)（如图 4 中的电路所示）的理论结果，负载非常轻，因此 CIN 放电非常少。随着负载阻抗的增加，后续峰值之间的 VCIN(t) 将会有更多的压降，但相对于总 VIN 只占很小的百分比（例如，输入为 120V，可能会出现 3-5 伏的压降。如前所述，只有当 VIN 大于其存储电压时，CIN 才会充电，这意味着非 PFC 电路只会在整个周期时间内为 CIN 充电一小部分。

90 度后（图 4），电桥的半周期降至电容器电压 (CIN) 以下；它对电桥进行反向偏置，抑制电流流入电容器（通过 VIN）。注意电感的输入电流尖峰有多大。供应链中的所有电路（墙壁布线、电桥中的二极管、断路器等）必须能够承载如此巨大的峰值电流。在这些短时间内，CIN 必须充满电，因此会从 VIN 中汲取短时间内的大电流脉冲。有一种方法可以平均这个尖峰，这样它就可以使用周期的剩余时间来积累能量，本质上是通过使用功率因数校正来平滑巨大的峰值电流。

为了更紧密地跟随 VIN 并且不产生这些高幅度电流脉冲，CIN 必须在整个周期内充电，而不仅仅是其中的一小部分。当今的非线性负载使得我们不可能知道何时需要大的浪涌电流，因此在整个周期内保持电容器的浪涌恒定是有益的，并且允许使用更小的CIN。这种方法称为功率因数校正。