带PFC的电源省电吗? 不会
建造发电厂的时候是按照视在功率,而电力公司收电费的时候是按照有功功率的。
带PFC的电源效率更高吗? 不会
带PFC 线路效率未必高,甚至会低一点。PFC 线路大二极管,MOSFET都不是省油的灯。
带PFC的输入全范围吗? 不一定
200W以下也可以做全范围输入
带PFC的传导辐射会更好吗?分情况
也看主动PFC和被动PFC,另外有些法规要求功率大于200W,必须PF值>0.9
带PFC的浪涌更低吗?是的,
通过规格书对比,带PFC同等功率的浪涌启动电流明显小于不带PFC的
引言:PFC(Power Factor Correction)即功率因数校正,主要用来表示电子产品对电能的利用效率。功率因数越高,说明电能的利用效率越高。通过CCC认证的电源(大于200W),都必须增加PFC电路。位置在第二层滤波之后,全桥整流电路之前。PFC有两种,一种是无源PFC(也称被动式PFC),一种是有源PFC(也称主动式PFC)。
一、什么是PFC功率因数
功率因数:功率因数表示电源输出有功功率的能力。功率是能量的传输率的度量,在直流电路中它是电压V和电流A和乘积。在交流系统里则要复杂些:即有部分交流电流在负载里循环不传输电能,它称为电抗电流或谐波电流,它使视在功率( 电压Volt乘电流Amps)大于实际功率。视在功率和实际功率的不等引出了功率因素,功率因素等于实际功率与视在功率的比值。
视在功率:即交流电压有效值和交流电流有效值的乘积,用公式表示为:S=UI。S是额定输出功率,单位是VA(伏安),U是额定输出电压,单位是V,如220V、380V等;I是额定输出电流,单位是A。
视在功率包括两部分:有功功率(P)和无功功率(Q),有功功率是指直接做功的部分。比如使灯发亮,使电机转动,使电子电路工作等。因为这个功率做功后都变成了热量,可以直接被人们感觉到,所以有些人就产生一个错觉,即把有功功率当成了视在功率,孰不知有功功率只是视在功率的一部分,用式表示:P=SCosΦ=UICosΦ=UIF。上式中,P是有功功率,单位主要有瓦(W),千瓦(kW),兆瓦(MW)。F=CosΦ被称为功率因数,而Φ是在非线性负载时电压电流不同相时的相位差。无功功率是储藏在电路中但不直接做功的那部分功率,用式表示:Q=SSinΦ=UISinΦ。上式中,Q为无功功率,单位为Var、kVar。
无源PFC(也称被动式PFC)
无源PFC指不使用晶体管等有源器件组成的校正电路,一般由二极管、电阻、电容和电感等无源器件组成。
在整流桥堆和滤波电容之间加一只电感(适当选取电感量),利用电感上电流不能突变的特性来平滑电容充电强脉冲的波动,改善供电线路电流波形的畸变,并且利用电感上电压超前电流的特性也补偿滤波电容电流超前电压的特性,使功率因数、电磁兼容和电磁干扰得以改善,如下图所示。
此种方式还不能称为真正的无源PFC电路,只是一种简单的补偿措施,可以应用在前期设计的无PFC功能的设备上,简单的增加一个合适的电感(适当选取L和C的值),从而达到具有抑制电流瞬时突变的目的;但是这种简单的、低成本的补救方法,输出纹波较大,滤波电容两端的直流电压也较低,电流畸变的校正及功率因数补偿的能力都很差,而且L的绕制及铁芯的质量控制不好,会对图像及伴音产生严重的干扰,只能是对于前期无PFC设备使之能进入市场的临时措施。
有源PFC(也称主动式PFC)
有源PFC电路则有很好的效果,基本上可以完全消除电流波形的畸变,而且电压和电流的相位可以控制保持一致,它基本上完全解决了功率因数、电磁兼容、电磁干扰的问题,但是电路非常复杂。
其基本思路是在220V整流桥堆后去掉滤波电容(以消除因电容充电造成的电流波形畸变及相位变化),由一个“斩波”电路把脉动的直流变成高频(约100kHz)交流经过整流滤波后,其直流电压再向常规的PWM开关稳压电源供电,其过程AC→DC→AC→DC。
有源PFC电路的基本原理是在开关电源的整流电路和滤波电容之间增加一个DC-DC的斩波电路,如图所示(斩波电路等于附加一个开关电源)。对于供电线路来说,该整流电路输出没有直接接滤波电容,所以其对于供电线路来说呈现的是纯阻性的负载,其电压和电流波形同相、相位相同。斩波电路的工作也类似于一个开关电源,所以说有源PFC开关电源就是一个双开关电源的开关电源电路,它是由斩波器和稳压开关电源组成的。
注:斩波电路(又叫直流斩波电路)是指在电力运用中,出于某种需要,将正弦波的一部分"斩掉".(例如在电压为50V的时候,用电子元件使后面的50~0V部分截止,输出电压为0.)后来借用到DC-DC开关电源中,主要是在开关电源调压过程中,原来一条直线的电源,被线路"斩"成了一块一块的脉冲。将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。也称为直流--直流变换器(DC/DC Converter)。
丨无源PFC和有源PFC区别
在电源设计和电力系统的调试过程中,常见的PFC应用方式有两种,一种是无源PFC,这种功率因数校正方式也称被动式PFC,而另一种是有源PFC,也被称为主动式PFC。功率在250W~300W的电源多采用被动式PFC,主动式PFC常用于400W及以上的电源。
二者的差别在于,被动式PFC一般分“电感补偿式”和“填谷电路式(Valley Fill Circuit)”。“电感补偿方法”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,被动式PFC包括静音式被动PFC和非静音式被动PFC。被动式PFC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。
二、PFC功率因素的作用
1、提高功率因数:电力系统的功率因数是指有用功率与视在功率之比,通常以cos(φ)表示。功率因数范围在0到1之间,而1表示完全的有用功率。功率因数越接近1,系统的能量利用效率越高。PFC电路通过调整电流和电压的相位关系,使功率因数接近1,从而减少无效功率的浪费。
2、降低谐波:PFC电路可以降低系统中的谐波含量。电流谐波会导致电网电压的变化和电能损耗,PFC电路能够减少谐波电流,降低对电网的干扰,提高系统的稳定性。
3、节省电能和降低能源成本:由于PFC电路减少了无效功率的消耗,系统可以以更高的效率运行,从而降低电能成本。这对于大型工业和商业设备以及电力系统尤为重要。
4、减少电网压降:电流的不正常波动和谐波可以导致电网电压下降,影响电力系统的稳定性。PFC电路可以帮助稳定电网电压,减少电压波动。
5、符合法规要求:许多国家和地区都规定了最低功率因数的要求,以减少电力系统对电网的负担。使用PFC电路可以确保符合这些法规要求。
三、电源带PFC省电吗?(不能)
1、PFC省不省电,给谁省电?功率因数指的是有效功率除以总耗电量(视在功率)比值。有效功率,就是有功功率,它表示的是实际使用的功率。而实际上损耗的功率是有功功率加上无功功率,而我们目前使用的电能表只能测量有功功率,是无法测量无功功率的。
PS:普通被动PFC功率因数0.7,如果使用70W的功率,供电局则需要提供100W的功率,这70W是有功功率,是实际使用的,而剩下那30W就是无功功率没有使用,也无法回收,浪费掉了,但是家里的电能表只计算使用的这70W,而不会计算浪费掉的30W。所以高功率因数不能给自己省钱,你仍然是使用多少花多少钱。但是高功率因数能够给供电局省钱,因为降低了无功功率,当然也更加环保。
2、那么省电跟什么有关呢?(转换效率)
转换效率越低,电源自身损耗越大,更加费电,需要自己花钱。
比如说供电局提供100W的功率,但由于使用了被动PFC,功率因数只有0.7,也就是说只用了70W,剩下损失了30W是供电局的损失。而如果转换效率有0.9,那么你这70W供你使用的只有63W,剩下的7W浪费掉了,但是这浪费掉的7W也是我们自己的花钱买来的。而如果转换效率只有0.7,那么这70W供使用的只有49W,剩下的21W都浪费掉了,浪费掉的21W也是花钱买来的。
PS:家用的电表都不能计算无功功率,但是一般工厂都是有无功功率电能表的,所以功率因数的提高对于家用是没有太大意义的。所以,主动PFC大力宣传的功率因数对于家用来说用处不大。
供电局提供 |
电源PFC |
用户 |
实际使用 |
PF(效率) |
实际作用 |
总结 |
100W |
0.7 |
A |
70W |
0.9 |
63W |
功率因素相同,花一样的钱,效率高的能得到更多的电量 |
100W |
0.7 |
B |
70W |
0.7 |
49W |
|
70W |
0.9 |
A |
63W |
0.9 |
56.7W |
效率一样的情况下,功率因素高的,供电局越省电 |
90W |
0.7 |
B |
63W |
0.9 |
56.7W |
主动式和被动式PFC各有千秋,最主要的因素是受制于预算。如果预算较多,完全可以选择购买主动式PFC,但是这并不意味着被动PFC不好,只不过是根据不同的情况进行不同的选择会更好。
进阶了解:电源大师对PFC的理解 - 知乎 (zhihu.com)
功率因数补偿:在上世纪五十年代,已经针对具有感性负载的交流用电器具的电压和电流不同相(图1)从而引起的供电效率低下提出了改进方法(由于感性负载的电流滞后所加电压,由于电压和电流的相位不同使供电线路的负担加重导致供电线路效率下降,这就要求在感性用电器具上并联一个电容器用以调整其该用电器具的电压、电流相位特性,例如:当时要求所使用的40W日光灯必须并联一个4.75μF的电容器)。用电容器并连在感性负载,利用其电容上电流超前电压的特性用以补偿电感上电流滞后电压的特性来使总的特性接近于阻性,从而改善效率低下的方法叫功率因数补偿(交流电的功率因数可以用电源电压与负载电流两者相位角的余弦函数值cosφ表示)。
图1具有感性负载中供电线路中电压和电流的波形
而在上世纪80年代起,用电器具大量的采用效率高的开关电源,由于开关电源都是在整流后用一个大容量的滤波电容,使该用电器具的负载特性呈现容性,这就造成了交流220V在对该用电器具供电时,由于滤波电容的充、放电作用,在其两端的直流电压出现略呈锯齿波的纹波。滤波电容上电压的最小值远非为零,与其最大值(纹波峰值)相差并不多。根据整流二极管的单向导电性,只有在AC线路电压瞬时值高于滤波电容上的电压时,整流二极管才会因正向偏置而导通,而当AC输入电压瞬时值低于滤波电容上的电压时,整流二极管因反向偏置而截止。也就是说,在AC线路电压的每个半周期内,只是在其峰值附近,二极管才会导通。虽然AC输入电压仍大体保持正弦波波形,但AC输入电流却呈高幅值的尖峰脉冲,如图2所示。这种严重失真的电流波形含有大量的谐波成份,引起线路功率因数严重下降。
在正半个周期内(180°),整流二极管的导通角大大的小于180°甚至只有30°-70°,由于要保证负载功率的要求,在极窄的导通角期间会产生极大的导通电流,使供电电路中的供电电流呈脉冲状态,它不仅降低了供电的效率,更为严重的是它在供电线路容量不足,或电路负载较大时会产生严重的交流电压的波形畸变(图3),并产生多次谐波,从而,干扰了其它用电器具的正常工作(这就是电磁干扰-EMI和电磁兼容-EMC问题)。
图2
自从用电器具从过去的感性负载(早期的电视机、收音机等的电源均采用电源变压器的感性器件)变成带整流及滤波电容器的容性负载后,其功率因素补偿的含义不仅是供电的电压和电流不同相位的问题,更为严重的是要解决因供电电流呈强脉冲状态而引起的电磁干扰(EMI)和电磁兼容(EMC)问题。
这就是在上世纪末发展起来的一项新技术(其背景源于开关电源的迅速发展和广泛应用)。其主要目的是解决因容性负载导致电流波形严重畸变而产生的电磁干扰(EMl)和电磁兼容(EMC)问题。所以现代的PFC技术完全不同于过去的功率因数补偿技术,它是针对非正弦电流波形畸变而采取的,迫使交流线路电流追踪电压波形瞬时变化轨迹,并使电流和电压保持同相位,使系统呈纯电阻性技术(线路电流波形校正技术),这就是PFC(功率因数校正)。
所以现代的PFC技术完成了电流波形的校正也解决了电压、电流的同相问题。
图3
于以上原因,要求用电功率大于85W以上(有的资料显示大于75W)的容性负载用电器具,必须增加校正其负载特性的校正电路,使其负载特性接近于阻性(电压和电流波形同相且波形相近)。这就是现代的功率因数校正(PFC)电路。
容性负载的危害
下面的图4是不用滤波电容的半波整流电路,图5是用了大容量滤波电容的半波整流电路。我们根据这两个电路来分析两电路中电流的波形。
图4
A中D是整流管,R是负载。图4B是该电路接入交流电时电路中电压、电流波形图
在(0°~180°)t0~t3时间:t0时间电压为零电流为零,在t1时间电压达到最大值电流也达到最大值,在t3时间电压为零电流为零。(二极管导通)
在(180°~360°)t3~t4:时间:二极管反偏无电压及电流。(二极管截止)在(360°~540°)t4~t6时间:t4时间电压为零电流为零,在t5时间电压达到最大值电流也达到最大值,在t6时间电压为零电流为零。(二极管导通180°)
结论:在无滤波电容的整流电路中,供电电路的电压和电流同相,二极管导通角为180°,对于供电线路来说,该电路呈现纯阻性的负载特性。
图5
A中D是整流管,R是负载,C是滤波电容。图5B是该电路接入交流电时电路中电压、电流波形图。
在(0°~180°)t0~t3时间:t1时间电压为零电流为零,在t1时间电压达到最大值电流也达到最大值,因为此时对负载R供电的同时还要对电容C 进行充电,所以电流的幅度比较大。在t1时间由于对电容C进行充电,电容上电压Uc达到输入交流电的峰值,由于电容上电压不能突变,使在t1~t3期间,二极管右边电压为Uc,而左边电压在t2时间电压由峰值逐渐下降为零,t1~t3期间二极管反偏截止,此期间电流为零。(增加滤波电容C后第一个交流电的正半周,二极管的导通角为90°)
在(180°~360°)t3~t4时间:二极管反偏无电压及电流。(二极管截止)
在(360°~410°)t4~t5时间:由于在t3~t4时间二极管反偏,不对C充电,C上电压通过负载放电,电压逐渐下降(下降的幅度由C的容量及R的阻值大小决定,如果C的容量足够大,而且R的阻值也足够大,其Uc下降很缓慢。)在t4~t5期间尽管二极管左边电压在逐步上升,但是由于二极管右边的Uc放电缓慢右边的电压Uc仍旧大于左边,二极管仍旧反偏截止。
在(410°~540°)t5~t7时间:t5时间二极管左边电压上升到超过右边电压二极管导通对负载供电并对C充电,其流过二极管的电流较大,到了t6时间二极管左边电压又逐步下降,由于Uc又充电到最大值,二极管在t6~t7时间又进入反偏截止。
结论:在有滤波电容的整流电路中,供电电路的电压和电流波形完全不同,电流波形,在短时间内呈强脉冲状态,二级极管导通角小于180°(根据负载R和滤波电容C的时间常数而决定)。该电路对于供电线路来说,由于在强电流脉冲的极短期间线路上会产生较大的压降(对于内阻较大的供电线路尤为显著)使供电线路的电压波形产生畸变,强脉冲的高次谐波对其它的用电器具产生较强的干扰。
怎样进行功率因素校正:
功率因素校正(PFC)
我们目前用的电视机由于采用了高效的开关电源,而开关电源内部电源输入部分,无一例外的采用了二极管全波整流及滤波电路,如图6A,其电压和电流波形如图6B
A(左) B(右)图6
为了抑止电流波形的畸变及提高功率因数,现代的功率较大(大于85W)具有开关电源(容性负载)的用电器具,必须采用PFC措施,PFC有;有源PFC和无源PFC两种方式。
目前部分厂家不使用晶体管等有源器件组成的校正电路。一般由二极管、电阻、电容和电感等无源器件组成,向目前国内的电视机生产厂对过去设计的功率较大的电视机,在整流桥堆和滤波电容之间加一只电感(适当选取电感量),利用电感上电流不能突变的特性来平滑电容充电强脉冲的波动,改善供电线路电流波形的畸变,并且在电感上电压超前电流的特性也补偿滤波电容电流超前电压的特性,使功率因数、电磁兼容和电磁干扰得以改善,如图7。
图7
此电路虽然简单,可以在前期设计的无PFC功能的设备上,简单的增加一个合适的电感(适当的选取L和C的值),从而达到具有PFC的作用,但是这种简单的、低成本的无源PFC输出纹波较大,滤波电容两端的直流电压也较低,电流畸变的校正及功率因数补偿的能力都很差,而且L的绕制及铁芯的质量控制不好,会对图像及伴音产生严重的干扰,只能是对于前期无PFC设备使之能进入市场的临时措施。
有源PFC电路的原理
有源PFC则是有很好的效果,基本上可以完全的消除电流波形的畸变,而且电压和电流的相位可以控制保持一致,它可以基本上完全解决了功率因数、电磁兼容、电磁干扰的问题,但是电路非常的复杂,其基本思路是在220V整流桥堆后去掉滤波电容(以消除因电容的充电造成的电流波形畸变及相位的变化),去掉滤波电容后由一个“斩波”电路把脉动的直流变成高频(约100K)交流再经过整流滤波后,其直流电压再向常规的PWM开关稳压电源供电,其过程是; AC→DC→AC→DC。
有源PFC的基本原理是在开关电源的整流电路和滤波电容之间增加一个DC-DC的斩波电路图8(附加开关电源),对于供电线路来说该整流电路输出没有直接接滤波电容,所以其对于供电线路来说呈现的是纯阻性的负载,其电压和电流波形同相、相位相同。斩波电路的工作也类似于一个开关电源。所以说有源PFC开关电源就是一个双开关电源的开关电源电路,它是由斩波器(我们以后称它为:“PFC开关电源”)和稳压开关电源(我们以后称它为:“PWM开关电源”)组成的。
图8
斩波器部分(PFC开关电源)
整流二极管整流以后不加滤波电容器,把未经滤波的脉动正半周电压作为斩波器的供电源,由于斩波器的一连串的做“开关”工作脉动的正电压被“斩”成图9的电流波形,其波形的特点是:
1、电流波形是断续的,其包络线和电压波形相同,并且包络线和电压波形相位同相。
2、由于斩波的作用,半波脉动的直流电变成高频(由斩波频率决定,约100KHz)“交流”电,该高频“交流”电要再次经过整流才能被后级PWM开关稳压电源使用。
3、从外供电总的看该用电系统做到了交流电压和交流电流同相并且电压波形和电流波形均符合正弦波形,既解决了功率因素补偿问题,也解决电磁兼容(EMC)和电磁干扰(EMI)问题。
该高频“交流”电在经过整流二极管整流并经过滤波变成直流电压(电源)向后级的PWM开关电源供电。该直流电压在某些资料上把它称为:B+PFC,在斩波器输出的B+PFC电压一般高于原220交流整流滤波后的+300V,其原因是选用高电压,其电感的线径小、线路压降小、滤波电容容量小,且滤波效果好,对后级PWM开关管要求低等等诸多好处。黑为电压波形 红色虚线为电流包络波形.
图9
目前PFC开关电源部分,起到开关作用的斩波管(K)有两种工作方式:
1、 连续导通模式(CCM):开关管的工作频率一定,而导通的占空比(系数)随被斩波电压的幅度变化而变化,如图10,图中T1 和 T2 的位置是:T1在被斩波电压(半个周期)的低电压区,T2在被斩波电压高电压区,T1(时间)=T2(时间)从图中可以看到所有的开关周期时间都相等,这说明在被斩波电压的任何幅度时,斩波管的工作频率不变,从图10中可以看出;在高电压区和低电压区每个斩波周期内的占空比不同(T1和T2的时间相同,而上升脉冲的宽度不同),被斩波电压为零时(无电压),斩波频率仍然不变,所以称为连续导通模式(CCM)该种模式一般应用在250W~2000W的设备上。
图10
2、不连续导通模式(DCM):斩波开关管的工作频率随被斩波电压的大小变化(每一个开关周期内“开”“关”时间相等。如图11:T1和T2时间不同,也反映随着电压幅度的变化其斩波频率也相应变化。被斩波电压为“零”开关停止(振荡停止),所以称为不连续导通模式(DCM),即有输入电压斩波管工作,无输入电压斩波管不工作。他一般应用在250W以下的小功率设备上。
图11
(3)临界导通模式(CRM)或过渡模式(TCM):工作介于CCM和DCM之间,工作更接近DCM模式。在上一个导通周期结束后,下一个导通周期之前,电感电流将衰减为零,而且频率随着线路电压和负载的变化而变化。
优点:廉价芯片、便于设计,没有开关的导通损耗,升压二极管的选择并非决定性的;
缺点:由于频率变化,存在潜在的EMI问题,需要一个设计精确的输入滤波器。
主动式PFC依线路架构可分为单级PFC与双级PFC,其比较可参考下表。
PFC架构 | 优点 | 缺点 | 应用限制 |
单级PFC | 成本低 线路简单 小功率效率高 |
Ripple 过大 回授不易调整影响PF |
1.无Hold up time对AC电源端变化直接影响输出 2.较高的Ripple current易影响 LED灯具寿命(直接驱 动使用) 3.回授响应慢, 负载特性影响大 |
双级PFC | 高功率设计 PFC特性佳 回授补偿易于调整 负载特性佳 |
成本高 线路复杂 |
同一般电源可应用于多数环境, 无特别限制 |