功率因數(shù)校正

功率因數(shù)校正簡介

PFC的英文全稱為“Power Factor Correction”，意思是“功率因數(shù)校正”，功率因數(shù)指的是有效功率與總耗電量（視在功率）之間的關(guān)系，也就是有效功率除以總耗電量（視在功率）的比值。 基本上功率因數(shù)可以衡量電力被有效利用的程度，當(dāng)功率因數(shù)值越大，代表其電力利用率越高。

功率因數(shù)是用來衡量用電設(shè)備用電效率的參數(shù)，低功率因數(shù)代表低電力效能。為了提高用電設(shè)備功率因數(shù)的技術(shù)就稱為功率因數(shù)校正。

計(jì)算機(jī)開關(guān)電源是一種電容輸入型電路，其電流和電壓之間的相位差會(huì)造成交換功率的損失，此時(shí)便需要PFC電路提高功率因數(shù)。目前的PFC有兩種，一種為被動(dòng)式PFC（也稱無源PFC）和主動(dòng)式PFC（也稱有源式PFC）。

功率因數(shù)校正電路工作原理

功率因數(shù)校正補(bǔ)償：在上世紀(jì)五十年代，已經(jīng)針對(duì)具有感性負(fù)載的交流用電器具的電壓和電流不同相（圖1）從而引起的供電效率低下提出了改進(jìn)方法（由于感性負(fù)載的電流滯后所加電壓，由于電壓和電流的相位不同使供電線路的負(fù)擔(dān)加重導(dǎo)致供電線路效率下降，這就要求在感性用電器具上并聯(lián)一個(gè)電容器用以調(diào)整其該用電器具的電壓、電流相位特性，例如：當(dāng)時(shí)要求所使用的40W日光燈必須并聯(lián)一個(gè)4.75μF的電容器）。用電容器并連在感性負(fù)載，利用其電容上電流超前電壓的特性用以補(bǔ)償電感上電流滯后電壓的特性來使總的特性接近于阻性，從而改善效率低下的方法叫功率因數(shù)補(bǔ)償（交流電的功率因數(shù)可以用電源電壓與負(fù)載電流兩者相位角的余弦函數(shù)值cosφ表示）。

圖1

在具有感性負(fù)載中供電線路中電壓和電流的波形

而在上世紀(jì)80年代起，用電器具大量的采用效率高的開關(guān)電源，由于開關(guān)電源都是在整流后用一個(gè)大容量的濾波電容，使該用電器具的負(fù)載特性呈現(xiàn)容性，這就造成了交流220V在對(duì)該用電器具供電時(shí)，由于濾波電容的充、放電作用，在其兩端的直流電壓出現(xiàn)略呈鋸齒波的紋波。

濾波電容上電壓的最小值遠(yuǎn)非為零，與其最大值(紋波峰值)相差并不多。根據(jù)整流二極管的單向?qū)щ娦?，只有在AC線路電壓瞬時(shí)值高于濾波電容上的電壓時(shí)，整流二極管才會(huì)因正向偏置而導(dǎo)通，而當(dāng)AC輸入電壓瞬時(shí)值低于濾波電容上的電壓時(shí)，整流二極管因反向偏置而截止。也就是說，在AC線路電壓的每個(gè)半周期內(nèi)，只是在其峰值附近，二極管才會(huì)導(dǎo)通。雖然AC輸入電壓仍大體保持正弦波波形，但AC輸入電流卻呈高幅值的尖峰脈沖，如圖2所示。這種嚴(yán)重失真的電流波形含有大量的諧波成份，引起線路功率因數(shù)嚴(yán)重下降。

在正半個(gè)周期內(nèi)（1800），整流二極管的導(dǎo)通角大大的小于1800甚至只有300－700，由于要保證負(fù)載功率的要求，在極窄的導(dǎo)通角期間會(huì)產(chǎn)生極大的導(dǎo)通電流，使供電電路中的供電電流呈脈沖狀態(tài)，它不僅降低了供電的效率，更為嚴(yán)重的是它在供電線路容量不足，或電路負(fù)載較大時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的交流電壓的波形畸變（圖3），并產(chǎn)生多次諧波，從而，干擾了其它用電器具的正常工作（這就是電磁干擾－EMI和電磁兼容－EMC問題）。

圖2

自從用電器具從過去的感性負(fù)載（早期的電視機(jī)、收音機(jī)等的電源均采用電源變壓器的感性器件）變成帶整流及濾波電容器的容性負(fù)載后，其功率因素補(bǔ)償?shù)暮x不僅是供電的電壓和電流不同相位的問題，更為嚴(yán)重的是要解決因供電電流呈強(qiáng)脈沖狀態(tài)而引起的電磁干擾（EMI）和電磁兼容（EMC）問題。

這就是在上世紀(jì)末發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)（其背景源于開關(guān)電源的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用）。其主要目的是解決因容性負(fù)載導(dǎo)致電流波形嚴(yán)重畸變而產(chǎn)生的電磁干擾(EMl)和電磁兼容(EMC)問題。所以現(xiàn)代的PFC技術(shù)完全不同于過去的功率因數(shù)補(bǔ)償技術(shù)，它是針對(duì)非正弦電流波形畸變而采取的，迫使交流線路電流追蹤電壓波形瞬時(shí)變化軌跡，并使電流和電壓保持同相位，使系統(tǒng)呈純電阻性技術(shù)（線路電流波形校正技術(shù)），這就是PFC（功率因數(shù)校正）。

所以現(xiàn)代的PFC技術(shù)完成了電流波形的校正也解決了電壓、電流的同相問題。

圖3

于以上原因，要求用電功率大于85W以上（有的資料顯示大于75W）的容性負(fù)載用電器具，必須增加校正其負(fù)載特性的校正電路，使其負(fù)載特性接近于阻性（電壓和電流波形同相且波形相近）。這就是現(xiàn)代的功率因數(shù)校正（PFC）電路。

功率因數(shù)校正電路圖

功率因數(shù)校正電路專用碳化硅二極管-可易亞（KIA）半導(dǎo)體

PFC電路專用碳化硅二極管型號(hào)如下：

KIA半導(dǎo)體碳化硅二極管產(chǎn)品特點(diǎn)

KIA半導(dǎo)體設(shè)計(jì)生產(chǎn)的碳化硅二極管具有較短的恢復(fù)時(shí)間、溫度對(duì)于開關(guān)行為的影響較小、標(biāo)準(zhǔn)工作溫度范圍為-55℃到175℃，大大降低散熱器的需求。碳化硅二極管的主要優(yōu)勢(shì)在于它具有超快的開關(guān)速度且無反向恢復(fù)電流，與硅器件相比，它能夠大大 降低開關(guān)損耗并實(shí)現(xiàn)卓越的能效。更快的開關(guān)速度同時(shí)也能讓制造商減小產(chǎn)品電磁線圈以及相關(guān)無源組件的尺寸，從而提高組裝效率，減輕系統(tǒng)重量，并降低物料（BOM）成本。

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