本文主要是关于pfc的相关介绍,并着重对pfc的功能特点及优缺点进行了详尽的阐述。
pfc
PFC的英文全称为“Power Factor Correction”,意思是“功率因数校正”,功率因数指的是有效功率与总耗电量(视在功率)之间的关系,也就是有效功率除以总耗电量(视在功率)的比值。 基本上功率因数可以衡量电力被有效利用的程度,当功率因数值越大,代表其电力利用率越高。功率因数是用来衡量用电设备用电效率的参数,低功率因数代表低电力效能。为了提高用电设备功率因数的威廉希尔官方网站 就称为功率因数校正。
计算机开关电源是一种电容输入型电路,其电流和电压之间的相位差会造成交换功率的损失,此时便需要PFC电路提高功率因数。目前的PFC有两种,一种为被动式PFC(也称无源PFC)和主动式PFC(也称有源式PFC)。
被动式PFC
被动式PFC一般分“电感补偿式”和“填谷电路式(Valley Fill Circuit)”
“电感补偿式”是使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数,“电感补偿式”包括静音式和非静音式。“电感补偿式”的功率因数只能达到0.7~0.8,它一般在高压滤波电容附近。
“填谷电路式”属于一种新型无源功率因数校正电路,其特点是利用整流桥后面的填谷电路来大幅度增加整流管的导通角,通过填平谷点,使输入电流从尖峰脉冲变为接近于正弦波的波形,将功率因数提高到0.9左右,显著降低总谐波失真。与传统的电感式无源功率因数校正电路相比,其优点是电路简单,功率因数补偿效果显著,并且在输入电路中不需要使用体积大重量沉的大电感器。
主动式PFC
而主动式PFC则由电感电容及电子元器件组成,体积小、通过专用IC去调整电流的波形,对电流电压间的相位差进行补偿。主动式PFC可以达到较高的功率因数──通常可达98%以上,但成本也相对较高。此外,主动式PFC还可用作辅助电源,因此在使用主动式PFC电路中,往往不需要待机变压器,而且主动式PFC输出直流电压的纹波很小,这种电源不必采用很大容量的滤波电容。
电源没有pfc会有什么后果
PFC是用来提高功率因数的,在电网中存在有功功率和无功功率,功率因数提高后,无功功率就减少了。在我国,使用的是有功电度表,它是无法测量无功功率的,所以即使电源没有PFC,也不会多扣电费。但是在国外比如欧洲,它们的电度表也会计算无功功率的,没有PFC就意味着要花更多的电费。所以最好买带PFC的电源,主动PFC电源的功率因数可以做的比较高,建议购买主动PFC的电源。
关于电压,这个跟PFC关系不是太大,但需要注意的是,某些国家比如美国日本,它们使用的是110V交流电,那你购买电源就要购买支持100-240V全电压的产品,以免到国外不能使用。
电源的输入电压可以从电源铭牌看到,正规的支持全电压的电源的铭牌会标注100-240V电压字样,很好辨识。但是PFC就不容易从外观看了,除非你拆开电源,简单的办法就是到官方网站查询产品资料。
无PFC电源的缺点
1.主动PFC在低功率时,自身损耗大于被动PFC。毕竟它是一个复杂的电路,工作起来要消耗电能;而被动PFC就是一个电感。不过很少有人让高端电源工作的低负载下,这个问题也就不明显了。
2.主动PFC还有一个最麻烦的缺点:电磁干扰大。为了搞定电磁干扰,EMI滤波电路要加强,电路更加复杂。有些电源在待机时发出高频噪音,也是因为主动PFC。
3.无源PFC电路是以牺牲电源的效率和稳定性为代价的。很多不太懂电源人,盲目的把电源加上无源PFC电路,以为这样就能很容易的解决电路的PF值问题了,事实上,这样在很多时候是得不偿失。
4.增加一点PF值,牺牲了电源本身的更多优良性能,无源PFC大约有两种方式:
一是、直接将反激电路前级的400V大电解拿掉,换上CBB,于是输入到电路中的电压波形就是正弦波了,然后将电源的变压器调节感量,使其达到DCM和CCM工作模式的临界点上,调的准的,能将PF值调到0.9.这样做的缺点也是一下就能看出来了,因为输入电压降低,效率降下一截,且由于没有前级滤波电路纹流变大,电路的稳定性也大大降低。
二是、填谷电路,增加三只二极管,400V电解换成两只250V的,这个电路比前面那个电路好一些,因为输入级的纹波没那么大。但输入电压的谷值是原来电解直接滤波的一半,峰值不变。也一样会降低电源的效率和稳定性。
pfc对电源的重要性
功率因数(PF)是指,实际功率(有效功率)与视在功率(表观功率)的比率(kW/kVA),而我们都知道,功率P等于电压与电流的乘积(P=V×I)。另外,在电路中会存在着最基本的两种电路负载,一种为“电阻(由电源中各种电阻构成的电路负载)”,另外一种为“电抗(由电源中电感线圈和电容构成的电路负载)”。
如果整个电路都是线性负载(电路阻抗为恒定常数的负载),那么电源电压和电流都将会呈现为正弦曲线,并且相位相同。而如果在这个纯电阻电路中,那么电压和电流都会在同一时刻逆转极性,那么也就是说,在每一时刻,电压与电流的乘积都为“正”。也就是说,在电路中,没有“反方向(负极方向)”的能量移动,而此时所产生负载功率才被称为“实际功率”。
而在一个纯电抗负载电路中,电压和电流之间会产生一定的是时间差,也就会出现相位差(最大理论值为90度,一般情况多为45度),那么电压与电流的乘积,就不一定每一时刻都为“正”了。在第一个半周期内,能量为“正”,另外一个半周期内能量为“负”,那么就是说,前半周期电源从电网中获取能量,而在后半个周期内,这些能量又会回流到国家电网中。所以如果按照一个周期计算,那么电源获得的能量会为“零”,没有能量。
上面的两种描述都是纯理论的理想状态。但在实际应用中,电路中会有大量的电阻、电感和电容,在同一时刻都会有负载,也就会产生不同方向的“能量”。因此,所有的正向能量,我们称其为“实际功率”,而反向回流电网的能量则称之为“无用功率”,那么“实际功率”与“无用功率”的综合,就是之前我们所说的“视在功率”。
但正如我们之前所提到的,“功率因数”实际上就是“实际功率”与“视在功率”的比值。而最为理想的比值为“1”,当然这还无法做到,因此只能无限接近于“1”,这个数值我们一般称之为“功率因数”。
这里我们需要指出的是,居民用户只需要支付实际功率(瓦数)所消耗的电量,则不会支付回流到电网中无用功率的电量。而对于商业工厂用电则会追加无用功率这一部分的用电,因为他们所消耗电量的基数太大了。
虽然对于居民用户来说,我们不需要支付无用功率的电费,但是根据《欧盟EN61000-3-2号标准》(当然中国也有相关的法规条款),凡是功率擦超过75W的开关电源,都需要至少安装被动PFC模块。此外,在80Plus电源认证中,则要求功率因数需要超过0.9,甚至更多。
不过在数年前,许多的电源厂商大多都在电源产品中使用被动PFC模块。而PFC模块则是一个减少谐波电流,并且将非线性负载转换成线性负载的过滤器,电容和电感所产生的功率因数则会向单位值跟近一些。
因此,我们接下来要说的,就是主动PFC和被动PFC电路。被动PFC相对主动PFC,功率因数较低,并且被动PFC只适用于230V高压电网,对于115V低压电网,被动PFC还需要一个倍压器以适应电网规格。不过,被动PFC比主动PFC的效能要高!
对于主动PFC来说,它基本上是一个通过PWM(脉冲宽度调制)控制电流波形的AC/DC整流器。在最开始,AC电压通过整流桥整流。然后PWM触发主动PFC电路中的MOSFET管(通常是两个),分离中间直流电压到恒定脉冲序列。这些脉冲信号通过滤波电容,将相对平顺的电流送到主开关电路。而在此之前,我们还会看到一个大个的电感线圈,而这个大电感可以对突然涌入的电流起到缓冲和梳理的作用,当然磁线圈也是电抗产生的重要元件。
此外,在主动PFC电路中我们还会看到一个热敏电阻,同样是用来限制突然涌入的电流,特别是当电源通电以及启动时。
主动PFC电路通常也有两种不同的模式,电流断续模式DCM(Discontinuous Conduction Mode)和电流连续模式CCM( Continuous Conduction Mode)。其中DCM是指,当电感电流为零时,PFC的MOSFET管被开启的工作状态;CCM是指,电感电流始终在零以上,PFC的MOSFET管被开启的工作状态,因此在MOSFET管中,所有的反向恢复的能量都会被浪费。
在电源PFC电路中的第二种模式(CCM)主要被用于超过200W功率输出的电源,因为他能够提供相对较低电流噪声峰值,这意味着高功率电源可以有效抑制电流纹波,输出更为平顺的电流。不过CCM的缺点是耗能较高,并且在升压二极管关闭时,会产生额外EMI,所以我们经常会看到电源整流桥后通常会增加一个X电容。
结语
关于pfc的相关介绍就到这了,如有不足之处欢迎指正。
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