功率因数校正之基本原理

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1、功率因数校正之基本原理何谓工率因数？功率因数（powerfactor；pf）定义为实功（realpower；P）对视在功率（apparentpower；S）之比，或代表电压与电流波形所形成之相角之余弦，如图1。功率因数值可由0至1之间变化，可为电感性（延迟的、指标向上）或电容性（领先的、指标向下）。为了降低电感性之延迟，可增加电容，直到pf为1。当电压与电流波形为同相时，工率因数等于1（cos(0o)=1）。所有努力使工率因数等于1是为了使电路为纯电阻化（实功等于视在功率）。▲图1:功率因数之三角关系。实功（瓦特）可提供实际工作，此为能量转换元素（例如电能到马达转动rpm）。虚

2、功（reactivepower）乃为使实功完成实际工作所产生之磁场（损耗）。而视在功率可想成电力公司提供之总功率，如图1所示。此总功率经由电力线提供产生所需之实功。当电压与电流皆为正弦波时，如前述定义之功率因数（简称为功因）为电压与电流波形之对应相角，但大部份之电源供应器之输入电流乃非正弦波。当电压为正弦波而电流为非正弦波时，则功因包括两个因素：1)相角位移因素，2)波形失真因素。等式1表示相角位移与波形失真因素之于功因的关系。----------------------------------------------------(1)Irms(1)为电流之主成份，Irms电流

3、之均方根值。因此功率因数校正线路是为了使电流失真最小，且使电流与电压同相。当功因不等于1时，电流波形没有跟随电压波形，不但有功率损耗，且其产生之谐波透过电力线干扰到连接同一电力线之其它装置。功因越接近1，几乎所有功率皆包含于主频率，其谐波越接近零。■了解规范EN61000-3-2对交流输入电流至第40次谐波规范。而其classD对适用设备之发射有严格之限制（图2）。其classA要求则较宽松（图3）。▲图2:电压与电流波形同相且PF=1(ClassD)。▲图3:类PFC输入，达到之功因大约0.9(ClassA)。■低效率的原因当切换式电源供应器（SMPS）没运用任何形式之功因校

4、正时，其输入电容CIN（见图4）只在VIN接近峰值电压VPAEK或VIN大于电容电压VCIN时被充电。若依输入电压之频率来设计CIN，其电流波形将比较接近输入电压波形（随负载变化）；但当在输入主电力线上有些许之干扰将造成整体系统有不良的影响。但话说回来，为应付输入电压跳动或预防少掉几个周期，CIN之设计会大于VIN之频率以储存足够之能量来继续提供负载之需要。▲图4:没有PFC之SMPS。图5所表示为在轻载时图4线路之VCIN(t)之理论结果。因此，CIN只有非常少许之放电。如负载增加时，VCIN(t)在峰值电压间会有较大的电压下降。但这也只代表有非常小部分的输入电压（譬如说，输

5、入为120Vac，但只有3~5伏特的下降电压）。如前所述，CIN只在VIN大于VCIN被充电，相对于整个周期来说是非常小的一部分。▲图5:输入电压Vin与充电中的Cin。图6所示，在90度角后之半周期，经桥式整流之电压低于CIN电压，桥式整流子之为反向偏压，电流无法流入电容。因此在电容可充电之非常短暂期间，输入电压必须提供很大的脉冲电流以充饱电容，这会造成墙上之电力线、桥式整流子与断路器承受非常大的突波电流。利用功率因数校正之方法，可平均此突波电流至其余之周期，可舒缓此巨大的峰值电流。▲图6:在简易之整流子线路之电压与电流波形。为了更能跟随电压波形，且没有这些高振幅的电流，CI

6、N必须利用整个周期而不是其一小部分来充电。当今非线性负载几乎无法去预测何时有大的瞬间电流需求，因此功率因数校正使用整个周期对输入电容充电，避免突波电流且输入电容可减小。■升压是功因校正之核心升压转换架构被用于连续性及非连续性之主动式功因校正方法上。使用升压方式是因为其简单而有效。简单的电路如图7用以说明为何电感可产生高电压。开始时电感假设未充电，因此VO等于VIN。当开关导通，电流IL逐渐线性增加。跨于电感两端之电压VL以指数性的增加直到VIN。需注意电感电压之极性，因为其定义电流之方向（电流入端为正端）。当开关断开，电流由最大变为零（递减，或为一个负斜率），如下式▲图7:返驰

7、式之电感工作。而电压趋近于负无穷大（电感极性反相）。但因为不是理想电感，其包含某些程度之串联阻抗，使无穷大值变为有限之得值。因开关断开，电感放电，其跨电压反相，加上输入电压VIN，如果有一个二极体与电容连接到电路输出端，此电容将被充电至此高电压（可能几个周期后）。这亦说明图8线路如何升压。▲图8:PFC之升压线路。转换器之输入为全波整流后之交流电压。在整流子后无大的滤波器，所以升压转换器之输入电压范围由零到交流电压之峰值再降零。此升压转换器必须同时符合两个条件：1)输出电压设定必须高过输入峰