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功率因数校正 概述

借助 TI 的功率因数校正 (PFC) 控制器快速轻松地满足 IEC61000-3-2 谐波电流限制标准。从低功率到高功率交流/直流应用,TI 的 PFC 控制器可在优化成本的同时提供最高功率因数 (PF)、最低电流失真 (iTHD)、最高效率和最高功率密度。

易于使用的解决方案具有:

  • 转换模式和连续导电模式
  • 单相和两相交错 PFC
  • 紧凑型 SOIC-8 到功能丰富的 SOIC-20 封装
  • 与功率 MOSFET 或 IGBT 开关的兼容性

完全固件可编程解决方案具有:

  • 适用于硅和氮化镓开关的单相、两相交错和无桥 PFC
  • 低于 5% 的 iTHD(20% 负载)
  • 集成输入功率计量
  • 集成内务处理、通信和电源管理

用于实现完整的离线交流/直流电源转换的单芯片控制:

  • PFC + PWM(正向)和 PFC + LLC 组合
  • 与外部栅极驱动器或变压器兼容
  • 易于进行机械设计
  • SOIC-20 和 SOIC-16 选项

了解功率因数校正

什么是功率因数校正?

功率因数校正是一项促进从电网有效进行能源消耗的技术。功率因数校正在电气和电子设备内部采用并通过交流电源插座供电。功率因数校正使设备能够最大限度地实现来自交流电源插座的有功功耗并最大限度地减小来自交流电源插座的无功功耗。

什么是有功功率和无功功率?

请考虑包含并联电阻、电感器和电容器的电路。当通过施加交流电压为电路“供电”时,电阻会耗散功率,而电容器和电感器会存储能量。在电阻中耗散的功率称为“有功功率”。向电感器和电容器提供的并存储为能量的功率称为“无功功率”。

为什么需要功率因数校正?

在经过功率因数校正的理想设备中,会对来自交流电源插座的功率进行完全利用以执行有用功。在此过程中,电源(公用电力发电厂)提供的能量会被设备最有效地利用,并且因为线路中的分配而导致的损耗会降至最低。此外,公用事业电厂必须针对给定量的有用功产生更低的功率,这意味着在发电过程中导致的损耗也会得到降低。

经过功率因数校正的设备的行为是怎样的?

经过功率因数校正的设备的行为与交流电源插座的电阻负载类似。具体而言,取自交流电源插座的电流似乎完美地复制交流电压,即与交流正弦波电压成比例并同相。看一看下图:

当在设备内部没有功率因数校正时交流输入电流波形可能会是什么样的?

会严重失真,如下所示:

功率因数校正是否可测?

是的,功率因数 (PF) 是用于对功率因数校正实现效果进行量化的指标。对于经过功率因数校正的行为类似纯电阻负载的理想设备,其功率因数显示为 1。对于消耗无功功率的负载,其功率因数将小于 1。可通过在设备的输入电线和合格的交流电源插座之间插入称为“交流电源分析仪”的设备来轻松实现这些测量。

是否存在功率因数的数学解释?

是。功率因数是实际功率(以瓦特为单位)与设备消耗的视在功率(以伏安为单位)的比率。

什么情况下需要功率因数校正?

只要当地法律强制要求设备符合有关交流电流谐波的 IEC61000-3-2 法规要求,就需要进行功率因数校正。通常而言,大多数从交流电源消耗 75W 或更高功率的电气和电子设备(额定电流高达 16A)一直需要满足该合规性。一个特例是照明设备,对于这些设备,只要功率不低于 25W,就需要满足合规性。不过,请注意,不是所有国家/地区都强制要求符合这些法规要求。

那么,推动功率因数校正需求的法律是否并不实际测量功率因数?
大部分要进行测量。IEC61000-3-2 法规要求规定交流输入电流的开始 40 个谐波在分解后处于特定的电平之内。在该要求之下,设备分为 4 类,每类设备适用不同的限制。下表对其进行了显示。不过,还有一些其他监控功率因数的自愿性能合规计划,如 80PLUS (http://www.plugloadsolutions.com/80pluspowersupplies.aspx)

什么是 iTHD?

iTHD 是交流输入电流 (i) 总计谐波失真 (THD)。iTHD 是用于测量有多少比例的交流输入电流不包含第 1 个电流谐波的指标。第 1 个电流谐波是将由交流电源插座上的电阻负载消耗的电流。iTHD 越低,功率因数校正就越佳。数学上的 iTHD 表达如下所示:

什么是无源功率因数校正?

可以通过在靠近电气设备交流输入的位置插入电容器和/或电感器在一定程度上符合 IEC-61000-3-2 标准。该实现功率因数校正的无源方法称为无源 PFC。该方法通常需要笨重且昂贵的电容器和/或电感器,这通常会导致一些不足之处。

什么是有源功率因数校正?

另一种实现功率因数校正的方法是将包含电源开关(如 MOSFET 和 IGBT、电感器和电容器)的有源开关电路插入靠近电气设备输入的位置。这是一种简洁的方法,可最大限度地减小尺寸、重量和成本,但需要使用控制器来管理电源开关的高频开关序列。此控制器称为 PFC 控制器。

为何在需要通用交流输入(85VAC 至 264VAC)的设备中强烈需要有源功率因数校正?

是这样的。通常,有源 PFC 开关级是升压转换器。无论输入是 110VAC 还是 220VAC,转换器都会在内部生成直流总线电压(通常为 385V)。如果设备中的所有其他装置被设计为通过 385V 直流总线工作,则插入该有源 PFC 开关级可使设计人员构建能够在全世界销售的设备。这可在快速设计周期、更高的可销售性和轻松库存管理方面带来好处。

是否存在有源 PFC 开关电路的不同变体?

是。根据设备的功率级别和效率、功率密度和成本等需求,有多个不同的电路架构,如转换模式 PFC (TM PFC)、连续导电模式 PFC (CCM PFC)、单相 PFC (1-ph PFC) 以及两相交错 PFC (2-ph IL PFC)。

什么是转换模式 PFC (TM PFC)?

如前所述,有源开关电路通常是升压转换器。如果 PFC 控制器控制升压转换器中的电感器电流,允许在每个开关周期中衰减至 0A,则称为转换模式 PFC。通常,对于低于 200W 的功率级别,这是需要的架构,因为该架构效率高、尺寸小且成本低。

什么是连续导电模式 PFC (CCM PFC)?

如果 PFC 控制器不允许电感器电流在每个开关周期中衰减至 0A,则称为连续导电模式 PFC。这是在从 200W 至几千瓦的任何场合普遍应用的通用架构。

什么是两相交错 PFC (2-ph IL PFC)?

这需要高功率密度的情况下,可以并联插入 2 级有源 PFC 电路,其中每级处理 50% 的功率,并使每级中各自的开关相互以 180 度的相位差运行。这称为交错 PFC。这可以带来很多好处,如升压电感器和 EMI 滤波器的磁体尺寸更小,输出电容器中的 RMS 电流更小,热设计更加轻松(因为功率损耗会分配在更多组件上)。

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  • TIDA-00520 - 300W PFC 和谐振 LLC 半桥控制器离线交流/直流 PSU 模块
  • TIDA-00355 - 具有 PFC 和 LLC 且适用于 36V 电动工具的 230V、400W 高效电池充电器参考设计

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