什么是功率因数 选择主动PFC电源的原因

　　本文主要是关于功率因数的相关介绍，并着重对功率因数和主动PFC电源的原理及构造进行了详尽的阐述。

　　功率因数

　　功率因数（Power Factor）的大小与电路的负荷性质有关， 如白炽灯泡、电阻炉等电阻负荷的功率因数为1，一般具有电感性负载的电路功率因数都小于1。功率因数是电力系统的一个重要的技术数据。功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大， 从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。在交流电路中，电压与电流之间的相位差（Φ）的余弦叫做功率因数，用符号cosΦ表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即cosΦ=P/S.

　　

　　最基本分析

　　拿设备作举例。例如：设备功率为100个单位，也就是说，有100个单位的功率输送到设备中。然而，因大部分电器系统存在固有的无功损耗，只能使用70个单位的功率。很不幸，虽然仅仅使用70个单位，却要付100个单位的费用。（使用了70个单位的有功功率，你付的就是70个单位的消耗）在这个例子中，功率因数是0.7 （如果大部分设备的功率因数小于0.9时，将被罚款），这种无功损耗主要存在于电机设备中（如鼓风机、抽水机、压缩机等），又叫感性负载。功率因数是马达效能的计量标准。

　　基本分析

　　每种电机系统均消耗两大功率，分别是真正的有功（单位：瓦）及电抗性的无功（单位：乏）。功率因数是有用功与总功率间的比值。功率因数越高，有用功与总功率间的比值就越大，系统运行则更有效率。

　　高级分析

　　在感性负载电路中，电流波形峰值在电压波形峰值之后发生。两种波形峰值的分隔可用功率因数表示。功率因数越低，两个波形峰值则分隔越大。

　　非线性负载

　　电力系统上常见的非线性负载包括整流器（用在电源供应器中），或是像萤光灯、电焊机或电弧炉电弧放电的设备。由于这些系统的电流会因为元件的切换而中断，电流会含有谐波成份，其频率为电源系统的整数倍数。畸变功率因子（Distortion Power Factor）可用来量度电流的谐波畸变对其平均功率的影响。

　　电脑电源供应器的弦波电压及非弦波电流，其畸变功率因子为0.75。

　　非弦波成份

　　非线性负载将电流波形由正弦波扭曲成其他波形。非线性负载的输入电流中除了原来电源的频率（基频）外，其中也会有许多高频的谐波电流成份。由电容器及电感器等线性元件组成的滤波器可以降低谐波电流由负载端进入电源系统中。

　　线性元件组成的电路若电压为一正弦波，其电流也是相同频率的弦波。其功率因子只是因为电压和电流之间的相位差，也可以称为位移功率因子（Displacement Power Factor）。若电流或电压非弦波，视在功率包括所有谐波成份时，功率因子中不但有电压和电流之间的相位差导致的位移功率因子，也会有对应谐波成份的畸变功率因子。

　　一般的三用电表无法量测非线性负载的输入电流。三用电表会量测整流后波形的平均值。若使用量测均方根（RMS）值的电表，可以量测实际电流及电压的均方根值，因此也可以计算视在功率。若要量测有功功率或无功功率，需使用针对非正弦波电流设计的瓦特表。

　　畸变功率因子

　　畸变功率因子（Distortion Power Factor）量度电流的谐波畸变对其平均功率的影响。

　　为负载电流的总谐波畸变。上述定义假设电压仍维持正弦波，没有畸变，此假设接近一般实际应用的情形。为电流的基频成份，而为总电流，二者都以均方根值表示。

　　若将畸变功率因子乘以位移功率因子（Displacement Power Factor，简称DPF），即可得到总功率因子，也可称为真功率因子，或直接简称为功率因子。

　　开关电源

　　开关电源是一种常见的非线性负载，世界上至少有数百万台个人电脑中有开关电源，功率输出从数瓦到一千瓦。早期廉价的开关电源中有一个全波整流器，整流器只有在电源端电压超过内部电容器的电压时才会导通，因此其峰值因子很高，畸变功率因子很低，而且在三相的电流系统中，其中线性电流不会为零，可能会有中性线负载过大的问题［6］。

　　典型的开关电源首先会用整流二极管产生直流电压，再由直流电压产生输出电压。由于整流器为非线性元件，其输入电流会有许多的高次谐波成份。此情形会造成电力公司的困扰，因为无法靠加入电容器及电感器的方式补偿高频的谐波成份。因此一些地区已开始立法要求所有功率大于一定值的电源供应器需要有功率因子修正机能。

　　欧盟为了提升功率因子，有设置谐波的标准。若要符合现行欧盟标准EN61000-3-2，所有输出功率大于75W的开关电源至少需要有被动功率因子修正（passive PFC）机能。而80 PLUS开关电源认证要求功率因子至少需到达0.9的水平［7］。

　　改善

　　电网中的电力负荷如电动机、变压器、日光灯及电弧炉等，大多属于电感性负荷，这些电感性的设备在运行过程中不仅需要向电力系统吸收有功功率，还同时吸收无功功率。因此在电网中安装并联电容器无功补偿设备后，将可以提供补偿感性负荷所消耗的无功功率，减少了电网电源侧向感性负荷提供及由线路输送的无功功率。由于减少了无功功率在电网中的流动，因此可以降低输配电线路中变压器及母线因输送无功功率造成的电能损耗，这就是无功补偿的效益。 无功补偿的主要目的就是提升补偿系统的功率因数。因为供电局发出来的电是以kVA或者MVA来计算的，但是收费却是以kW，也就是实际所做的有用功来收费，两者之间有一个无效功率的差值，一般而言就是以kvar为单位的无功功率。大部分的无效功都是电感性，也就是一般所谓的电动机、变压器、日光灯……，几乎所有的无效功都是电感性，电容性的非常少见，例如：变频器就是容性的，在变频器电源端加入电抗器可提高功率因数。

　　内容

　　由于感性、容性或非线性负荷的存在，导致系统存在无功功率，从而导致有功功率不等于视在功率，三者之间关系如下：

　　S^2=P^2+Q^2

　　一种有源功率因数校正电路

　　一种有源功率因数校正电路

　　；S为视在功率，P为有功功率，Q为无功功率。三者的单位分别为VA（或kVA），W（或kW），var（或kvar）。

　　简单来讲，在上面的公式中，如果今天的kvar的值为零的话，kVA就会与kW相等，那么供电局发出来的1kVA的电就等于用户1kW的消耗，此时成本效益最高，所以功率因数是供电局非常在意的一个系数。用户如果没有达到理想的功率因数，相对地就是在消耗供电局的资源，所以这也是为什么功率因数是一个法规的限制。就国内而言功率因数规定是必须介于电感性的0.9～1之间，低于0.9时需要接受处罚。

　　好处

　　供电部门为了提高成本效益要求用户提高功率因数，那提高功率因数对用户端有什么好处呢？

　　① 通过改善功率因数，减少了线路中总电流和供电系统中的电气元件，如变压器、电器设备、导线等的容量，因此不但减少了投资费用，而且降低了本身电能的损耗。

　　② 良好的功因数值的确保，从而减少供电系统中的电压损失，可以使负载电压更稳定，改善电能的质量。

　　③ 可以增加系统的裕度，挖掘出了发供电设备的潜力。如果系统的功率因数低，那么在既有设备容量不变的情况下，装设电容器后，可以提高功率因数，增加负载的容量。

　　举例而言，将1000kVA变压器之功率因数从0.8提高到0.98时：

　　补偿前：1000×0.8=800kW

　　补偿后：1000×0.98=980kW

　　同样一台1000kVA的变压器，功率因数改变后，它就可以多承担180kW的负载。

　　④ 减少了用户的电费支出；透过上述各元件损失的减少及功率因数提高的电费优惠。

　　此外，有些电力电子设备如整流器、变频器、开关电源等；可饱和设备如变压器、电动机、发电机等；电弧设备及电光源设备如电弧炉、日光灯等，这些设备均是主要的谐波源，运行时将产生大量的谐波。谐波对发动机、变压器、电动机、电容器等所有连接于电网的电器设备都有大小不等的危害，主要表现为产生谐波附加损耗，使得设备过载过热以及谐波过电压加速设备的绝缘老化等。

　　并联到线路上进行无功补偿的电容器对谐波会有放大作用，使得系统电压及电流的畸变更加严重。另外，谐波电流叠加在电容器的基波电流上，会使电容器的电流有效值增加，造成温度升高，减少电容器的使用寿命。

　　谐波电流使变压器的铜损耗增加，引起局部过热、振动、噪音增大、绕组附加发热等。

　　谐波污染也会增加电缆等输电线路的损耗。而且谐波污染对通讯质量有影响。当电流谐波分量较高时，可能会引起继电保护的过电压保护、过电流保护的误动作。

　　因此，如果系统量测出谐波含量过高时，除了电容器端需要串联适宜的调谐（detuned）电抗外，并需针对负载特性专案研讨加装谐波改善装置。

　　选择主动PFC电源的原因

　　PFC是电脑电源中的一个非常重要的参数，全称是电脑功率因素校正，简称为PFC。

　　计算机电源负责把交流电（AC）转成直流电（DC）为主机提供全部电力，因此其能源转换效率高低是一项非常重要的节能省电指标。电源的能源转换效率跟标称功率大小并无必然关系，它是电源在处理AC至DC变压过程中，能量的剩余比例，而此效率基本取决于电源内部的功率因素校正电路（PFC，Power Factor Correction）。

　　PFC主要有两种，一种叫主动式PFC，另一种叫被动式PFC。

　　主动式PFC，也称有源PFC。主动式PFC使用主动组件 ［控制线路及功率型开关式组件（power sine conductor On/Off switch），基本运作原理为调整输入电流波型使其与输入电压波形尽可能相似，功率因素校正值可达近乎100%。此外主动式PFC有另一项重要附加价值，即电源供应器输入电压范围可扩增为90Vdc到264Vdc的全域电压，电源供应器不需要像以往一般需切换电压。相对地，因为其优异功能，主动式PFC价格也较高。另外消费者还要注意，一般而言很多被动式的设计，在115V的系统上是没有置入的，因为厂商只作230V的部分，所以需请在115V电压系统下的消费者，留意此问题，可能多花了钱却买到在115V下没有PFC作用的电源供应器。

　　被动式PFC，不论静音与否，他们都可以被称作无源PFC。无源PFC一般采用电感补偿方法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，但无源PFC的功率因数不是很高，只能达到0.7~0.8。静音型被动PFC相比非静音型被动PFC，无论是成本上还是制造工艺上要求都比较高。这里还要说明的是，PFC会产生噪声的原因。从原理上讲，我们在上面看到的部分结构上和电感类似，在对电流和电压补偿的过程中，始终进行着充放电的过程，因而产生了磁性，最终会和周边的金属元件产生震动进而发出噪音。静音型PFC相当于两个非静音型PFC的叠加，达到震动互相抵消的目的。但是，在消除噪音的手段中，安装是否得当也是对静音效果影响较大的因素。　总体上来说，非静音型被动PFC与静音型被动PFC所能达到的效果大致相当，但都要低于主动式PFC的功因校正效果。

　　动式PFC优于被动式PFC，因此，选择节能型的电源必须首选采用主动式PFC电路设计的电源。

　　主动式PFC提升功率因素值至95%以上，被动式PFC约只能改善至75%。换句话说，主动式PFC比被动式PFC能节约更多的能源。

　　采用主动式PFC的电源供应器的重量，较用笨重组件的被动式PFC产品要轻巧许多，而产品走向轻薄小是未来3C市场必然趋势。

　　主动式PFC的优点：

　　校正效果远优于欧洲的 EN 谐波规范，即便未来规格更趋严格也都能符合规定。 随着IC零件需求增加，成本将随之降低。

　　较无原料短缺的风险。

　　较被动式专业的解决方案。

　　能以较低成本带来全域电压的高附加价值。

　　功率因素接近完美的100%，使电力利用率极佳化，对环保有益。

　　因应未来CPU发展趋势，输出瓦特数（电力）要求将越高，主动式PFC因成本不随输出瓦特数增加而上升，故拥有较好竞争力。

　　被动式PFC的缺点：

　　当欧洲EN的谐波规范越来越严格时，电感量产的质量需提升，而生产难度将提高。

　　沉重重量增加电源供应器在运输过程损坏的风险。

　　原料短缺的风险较高。

　　如电源内部结构固定的不正确，容易产生震动噪音。

　　当电源供应器输出超过300瓦以上，被动式PFC在材料成本及产品性能表现上将越不具竞争力。

　　PFC作为决定电源转换效率的重要因素，其主要分为主动PFC与被动PFC。前者带来的是更高的功率因数但成本也会有很大的增加，后者虽然价格低廉但功率因数也会有所下降。

　　主动PFC电路本身损耗的电能比起被动PFC电路更高，从而直接降低了电源的转换效率，因为有更多的电能并没有被实际负载利用上。PFC电路所调节的功率因数，是给电厂节省了电能，而并没有真正给用户节省。

　　主动PFC的优缺点

　　主动PFC的优势是，电压适应范围宽，功率因数高。功率因数和转换效率是两个不同的指标。功率因数是电路的参数，交流电路中的一个指标，和线路损耗有一定的关系。功率因数的范围是0~1.0，1.0是最理想的，0在实际电路中其实不存在。供电局对这个指标比较重视，对于一般家用没有实际意义。转换效率是关于能量转换的，直接决定电源的损耗大小。转换效率的范围是 0% ~100%，100%是理想的状态，0%是最差劲的极端。这才是我们应该关心的，转换效率越低，电源损耗越大，浪费的电越多。功率因数不影响电表走字，0.1和1.0都是一样的走法。转换效率要影响电表走字，转换效率越低，损耗的电能越多，电表也会多走些。高功率因数，是在给供电局省钱。

　　主动PFC和电源转换效率并没有必然联系。就目前市面上的产品来看，大部分高转换效率的电源都是主动PFC的，也同时拥有很高的功率因数。之所以目前市场上大多数电源都是主动式PFC，是由于以下几点原因。

　　由于低端产品对成本的要求过于严格，所以几乎不可能使用主动PFC设计。而购买这种商品的人同样不会关心功率因数及转换效率究竟如何。因此低端电源普遍采用了传统的电路设计，效率低，功率因数也低。高端电源主要针对电脑玩家和专业场合设计，功率普遍很大，成本可以放宽，本身卖得也很贵。被动PFC在功率超过400W以后，损耗变大，效率变低，体积太大，重量也大。

　　主动PFC在400W功率以上效率有优势，虽然价格贵，但是高端用户不会在乎这一点价格。高端电源通常都不会沿用传统的电路设计，而是厂家精心研发的先进电路，效率自然提高很多。最终的结果就是：高端电源几乎全都是主动PFC，功率因数很高，效率也很高。

　　实际上，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。

　　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。总结

　　高端电源（400W或更高），首选主动PFC，在大功率的场合，主动PFC优势明显，高端产品成本上不受限制，电路设计优秀，完全可以弥补主动PFC的缺点。高效率高性能的产品谁都喜欢。

　　低端电源（350W或更低），根据自己的需求选择，不必苛求主动PFC，在成本受限的情况下，主动PFC的缺点开始暴露，电磁干扰，高频噪音。在300W这个等级，主动PFC已经完全没有优势了。

　　结语

　　关于功率因数和主动PFC电源的相关介绍就到这了，如有不足之处欢迎指正。

相关阅读推荐：成为主流的主动式PFC电源，为何优于被动式PFC电源？

相关阅读推荐：如何选择主动PFC电源与被动PFC电源