功率因数改善和轻负载时的高效率兼顾

发表于 2019-03-11 17:03:22 收藏 已收藏
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功率因数改善和轻负载时的高效率兼顾

发表于 2019-03-11 17:03:22
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如今,“节能化”已成为全球共同面临的课题,对于电子设备的功耗要求也越来越高,不仅要求削减运行时的功耗,对降低待机功耗也有严格的要求。另外,为了削减供电过程中的浪费,内置PFC(功率因数校正)功能已成为标配。

然而,使用PFC尤其会导致待机时和轻负载时的效率下降,从而使设备设计时“功率因数”和“效率”的矛盾权衡成为一个很大的课题。在这种背景下,ROHM采用独有的电源控制技术,开发出同时改善了设备的功率因数并提高了待机时效率的AC/DC转换器IC。

就改善功率因数和提高效率的课题及其解决方法,我们采访了ROHM株式会社的负责工程师。-我们直接进入主题,此次的主题是“功率因数改善和轻负载时的高效率兼顾”,因此,请您先简单介绍一下“功率因数”和“效率”可以吗?近年来,“效率”一词已被广泛使用,可“功率因数”这个词可能很少被公众使用。效率是输出功率与输入功率的比值,大多数情况下用“%”来表示。

举个简单的例子,当电源的输出功率为60W时,如果输入功率(功耗)为80W,则通过60W/80W得出效率为75%。这应该是很容易理解的。而功率因数涉及到交流的视在功率、有功功率、无功功率,可能稍微有些复杂。功率因数本身是有功功率与视在功率的比值,最大值为1。

功率因数多用0.9或0.95之类的小数来表示。视在功率是电力公司传输电力的功率,也称“表观功率”。有功功率是指设备(即负载)使用的功率。比如,以前面提到的电源为例,如果电源(设备)使用(消耗)的功率(有功功率)为80W,为了确保这80W,假设电力公司传输电力的功率(视在功率)为100W,则通过80W/100W计算得出功率因数为0.8。由于是交流电,所以功率因数可通过矢量来分析。

设交流电的电压和电流相位为θ,则功率因数可通过COSθ求出,在没有电压和电流相位差的状态下,正弦波的情况下为1。仅通过语言描述比较难懂,所以请看下图。

负载为纯电阻时,不发生相位滞后,所以功率因数为1。有容性负载或感性负载时,或波形不是正弦波时,产生相位滞后,功率因数不是1。下面通过此次的主题—开关方式AC/DC转换器的输入电压和电流波形来思考一下。开关电源中会使用电容来实现输入端的交流电压滤波(称为“电容输入型整流滤波”)。这种滤波用的电容,自然就是容性负载。输入到该电容的交流电流,仅在输入交流电压高于滤波电容电压时会有,如下图所示,这种电流中含有导通角小、脉冲一样的非正弦波高频分量。

在这种状态下,即使功耗相同,由于在电源端会流过瞬时大电流,因此设Cin=100µF、Vin=100Vrms、Po=20W时,输入电流的峰值为1.4A。功率因数约为0.5,与功率因数为1时相比是5倍。所以,对于含有这类高频分量的非正弦波电流的负载来说,需要较大的视在功率,负责电力供给的电力公司需要能够应对多余发电和高峰值功率的设备,成本也相应地增加。

-简单地说也就是如果设备电源的功率因数较差,则需要供给高于其功耗的电力,会导致发电和输电过程中的浪费增加对吧。的确如此。针对功率因数低的问题,世界各国已经开始采取措施,比如很多国家对功耗超过指定功率的设备,执行高频电流法规等,通过法律法规来制约。满足这种法规的方法之一就是使用功率因数校正电路(PFC),提高功率因数,抑制高频电流。

在欧洲已经规定75W以上的设备中必须配备PFC,在日本也是几乎都已经配置PFC。-PFC是怎样提高功率因数的呢?PFC主要分使用无源元件(电感)的无源型和使用MOSFET等功率开关的有源型两种类型。这张图是利用有源PFC电路改善电流波形的示意图。具有很高峰值的脉冲一样的电流波形,经过开关工作斩波后接近正弦波。

在特征方面,无源型PFC的电路结构比较简单,但难以应对更宽的输入电压范围,并且难以小型化。而有源型PFC可以支持广泛的输入电压范围,在小型化方面也颇具优势。被称为“PFC控制器”等的IC,当然是有源型的。

-接下来,想请您谈谈此次的主题“功率因数改善和高效率兼顾”这个话题,这是否意味着“采用PFC电路的话效率就会下降”?

配置有源方式的PFC电路,相应的功耗会增加,效率自然会下降。尤其是如今拥有待机模式的电子设备,PFC电路的功耗对待机的效率影响较为显著。针对这个课题,ROHM推出了一款内置PFC控制功能的AC/DC转换器用控制器IC“BM1C101F”。BM1C101F采用准谐振方式,特点是具有可使内置PFC控制器在设置的功率ON/OFF的功能,以及可切换PFC输出的新控制方式。利用这些技术,不仅可大幅削减待机功耗,还满足了国际标准Enegy Star6.0的要求。

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