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功率因數改善和高效率兼顧的AC/DC轉換器控制技術

如果採用功率因數校正電路
電源效率會下降?

Keyword
  • 效率
  • 功率因數
  • 輸出功率與輸入功率的比值
  • 有功功率與視在功率的比值
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  • 功率因數校正電路(PFC)
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  • BM1C101F
  • 準諧振方式
  • Enegy Star6.0

目前“節能化”已成為全球共同面臨的課題,對於電子裝置的功耗要求也越來越高,不僅要求削減運行時的功耗,對降低待機功耗也有嚴格的要求。另外,為了削減供電過程中的浪費,內建PFC(功率因數校正)功能已成為標配。然而,使用PFC尤其會導致待機時和輕載時的效率下降,從而使裝置設計時“功率因數”和“效率”的矛盾權衡成為一個很大的課題。

在這種背景下,ROHM採用獨有的電源控制技術,研發出同時改善了裝置的功率因數並提高了待機時效率的AC/DC轉換IC。就改善功率因數和提高效率的課題及其解決方法,我們採訪了ROHM株式會社的負責工程師。

-我們直接進入主題,此次的主題是“功率因數改善和輕載時的高效率兼顧”,因此,請您先簡單介紹一下“功率因數”和“效率”可以嗎?

近年來,“效率”一詞已被廣泛使用,可“功率因數”這個詞可能很少被公眾使用。

效率輸出功率與輸入功率的比值,大多數情況下用“%”來表示。舉個簡單的例子,當電源的輸出功率為60W時,如果輸入功率(功耗)為80W,則通過60W/80W得出效率為75%。這應該是很容易理解的。

功率因數涉及到交流的視在功率、有功功率、無功功率,可能稍微有些複雜。功率因數本身是有功功率與視在功率的比值,最大值為1。功率因數多用0.9或0.95之類的小數來表示。視在功率是功率公司傳輸功率的功率,也稱“表現功率”。有功功率是指裝置(即負載)使用的功率。比如,以前面提到的電源為例,如果電源(裝置)使用(消耗)的功率(有功功率)為80W,為了確保這80W,假設功率公司傳輸功率的功率(視在功率)為100W,則通過80W/100W計算得出功率因數為0.8。

由於是交流電,所以功率因數可通過向量來分析。設交流電的電壓和電流相位為θ,則功率因數可通過COSθ求出,在沒有電壓和電流相位差的狀態下,正弦波的情況下為1。僅通過語言描述比較難懂,所以請看下圖。

負載為純電阻時,不發生相位滯後,所以功率因數為1。有容性負載或感性負載時,或波形不是正弦波時,產生相位滯後,功率因數不是1。下面通過此次的主題—開關方式AC/DC轉換器的輸入電壓和電流波形來思考一下。

開關電源中會使用電容來實現輸入端的交流電壓濾波(稱為“電容輸入型整流濾波”)。這種濾波用的電容,自然就是容性負載。輸入到該電容的交流電流,僅在輸入交流電壓高於濾波電容電壓時會有,如下圖所示,這種電流中含有導通角小、脈衝一樣的非正弦波高頻分量

在這種狀態下,即使功耗相同,由於在電源端會流過暫態大電流,因此設Cin=100µF、Vin=100Vrms、Po=20W時,輸入電流的峰值為1.4A。功率因數約為0.5,與功率因數為1時相比是5倍。所以,對於含有這類高頻分量的非正弦波電流的負載來說,需要較大的視在功率,負責功率供給的功率公司需要能夠對應多餘發電和高峰值功率的裝置,成本也相應地增加。

-簡單地說也就是如果裝置電源的功率因數較差,則需要供給高於其功耗的功率,會導致發電和輸電過程中的浪費增加對吧。

的確如此。針對功率因數低的問題,世界各國已經開始採取措施,比如很多國家對功耗超過指定功率的裝置,執行高頻電流法規等,通過法律法規來制約。滿足這種法規的方法之一就是使用功率因數校正電路(PFC),提高功率因數,抑制高頻電流。在歐洲已經規定75W以上的裝置中必須配備PFC,在日本也是幾乎都已經配置PFC。

-PFC是怎樣提高功率因數的呢?

PFC主要分使用無源元件(電感)的無源型和使用MOSFET等功率開關的有源型兩種類型。這張圖是利用有源PFC電路改善電流波形的示意圖。具有很高峰值的脈衝一樣的電流波形,經過開關工作斬波後接近正弦波

在特長方面,無源型PFC的電路結構比較簡單,但難以對應更寬的輸入電壓範圍,並且難以小型化。而有源型PFC可以支援廣泛的輸入電壓範圍,在小型化方面也頗具優勢。被稱為“PFC控制器”等的IC,當然是有源型的。

-接下來,想請您談談此次的主題“功率因數改善和高效率兼顧”這個話題,這是否意味著“採用PFC電路的話效率就會下降”?

配置有源方式的PFC電路,相應的功耗會增加,效率自然會下降。尤其是如今擁有待機模式的電子裝置,PFC電路的功耗對待機的效率影響較為顯著。

針對這個課題,ROHM推出了一款內建PFC控制功能的AC/DC轉換器用控制IC“BM1C101F”。BM1C101F採用準諧振方式,特點是具有可使內建PFC控制器在設定的功率ON/OFF的功能,以及可開關PFC輸出的新控制方式。利用這些技術,不僅可大幅削減待機功耗,還滿足了國際標準Enegy Star6.0的要求。

功率因數改善和高效率兼顧的AC/DC轉換器控制技術
Part 2

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