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MPS | 聊聊功率因数校正那些事儿

相信大家都注意到,一般工业电费会比居民电费贵吗?

很多人可能会说,这是因为电网不同,维护困难,传输成本高。

但是为什么传输成本会高呢?

从技术角度看,工业用电传输成本高的原因是工业应用中的电气设备多为大功率电感或容性负载,其功率因数低于居民用电设备,导致无功功率高、损耗大,供电成本高。

居民用电一般为中小功率设备,耗电量小,功率因数高,无功率损耗少。

功率因数 λ(PF)指有功率P和视在功率 S(总耗电量V*I)关系,即有功功率 P 与视在功率 S(总耗电量V*I)的比值。

另外,视功率S, 与有功功率P和无功功率Q的另一种关系是:

由此可见,功率因数可以衡量电力的有效利用程度。当功率因数值越大时,功率利用率越高。

在交流输入电网中,功率因数也可以用数学公式来表示 (PF):

从上述公式可以看出影响 PF 两个主要因素 cosφ 和 THD,这里相位差 φ 如下图所示,输入交流电压波形与负载电流波形的相位差。

而 THD(Total harmonic distortion)总谐波失真是指输入电流的畸变程度。

与基波相比,谐波在交流电网中的频率为50Hz的正弦电压220VAC,当应用于非线性负载时,其输入电流波形失真,其波形可以扩展到每个谐波的重量,总谐波失真相当于两个以上谐波重量的有效值和基波重量的有效值的方和根。

总谐波失真(THD)值用于表示谐波引起的波形失真程度。变形程度越大,THD 值越大,PF 值越小。为提高用电效率,我国制定了各种用电设备谐波电流要求的相应标准。

由于功率因数如此重要,如何用电路校正高功率因数?

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以下图为例,整流桥后只有电容滤波,输入电流只能是严重畸变的波形,因为整流桥后电容滤波后直接向负载设备供电,使输入电流导角很小,功率因数很差。

无功率因数校正电路

其电压和电流波形如下:

在现在AC/DC目前,有源功率因数校正电路主要用于电源中(APFC),APFC 由电感器电容器和半导体开关装置组成,体积小,通过专用开关 IC 控制电流随正弦电压波形变化,电流正弦化程度高,PF 可以达到 0.99,非常接近1级。

如下图所示是典型的 Boost APFC 电感电流的波形由高频开关控制。

有源功率因数校正电路

输入电流波形和电压波形如下图所示:

那么如何实现输入电流的正弦化呢?这是典型的 Boost APFC 以控制电路为例。

Boost APFC 控制电路

红色线框内 L1, D4,Q1,C6 组成 Boost 主功率回路部分,FB, MULT, CS 输出电压反馈,输入正弦波相位跟踪和电感电流采样信号。

通过开关周期 FB 检测 Vo,放大误差后得到的 Comp 值与 MULT 脚信号乘法获得正弦的参考基准值。然后,参考基准值逐周期与电感电流采样信号进行比较 MOS 管关断逻辑。

待 ZCS 脚检测到 Boost 电感电流降至0后,触发 MOS 管开启逻辑实现了一个完整的开关周期。 C1 电容器将平滑过滤电感电流,使输入电流波形更加正弦光滑,从而校正功率因数,获得接近1的高度PF值。

这里讲到 APFC 控制原理实际上是对临界电流控制模式的典型介绍,主要用于 300W 内部电源设计。大多数应用程序选择连续电流控制模式电流控制模式被选择(CCM)校正电路的功率因数。对于轻负荷效率的要求,有些需要增加间歇电流控制模式(DCM), 从而降低工作频率,提高开关损耗和 EMI 的效果。

标签: 纯电感电路功率因数很低

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