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- 发布日期：2024-11-21 07:10 点击次数：178 低功率因数通常会使输入电流质量差和效率低下，这会给供应商、消费者或两者带来成本负担。在交流系统中，低功率因数通常是由输入电流波形失真造成的，为此，多个国际电气标准严格限制供电电流中的谐波量，在某些情况下，有源或无源功率因数校正几乎是强制的。
理想交流系统中的功率因数
在正弦交流系统中，功率因数只是电气系统中的实际有功功率与总视在功率之间的比率，总视在功率包括实际功率和无功功率，该无功功率由负载所产生的电场和磁场所形成无功阻抗造成。无功阻抗导致电流波形比电压波形滞后一个相移角的余量，因此，我们可以将功率因数表示为电压和电流波形之间的相移角余弦，并得出以下结论：当电流和电压波形之间的相移角趋近于零时，功率因数趋近于最大值1。
【图1：作为相移函数确定功率因数】
实际交流系统中的谐波失真
在实际交流电源中，输入电流通常是承载多个谐波分量的复杂信号，虽然初级或基本谐波（与电路电压同相）提供实际功率，但其他谐波带来了大部分无法使用的能量。
【图2：组分谐波的复合波形】
因此，根据失真因子得出实际系统的功率因数，该失真因子基于基波分量之上的所有附加谐波之和，或基于总谐波失真（THD）。因此，PFC转换器的作用为被动调整或主动重建输入交流波形，以使其在相位和波形方面与电压信号更一致，并没有不需要的谐波。
当前的交流系统中的PFC转换器
功率因数校正基于开关器件（MOSFET、IGBT等），这些器件通过快速切换PFC电感上的电流来形成输入平均电流波形。PFC控制器通过比较电流反馈信号和参考信号来确定开关器件的接通和断开持续时间，以便对相应的PFC电感充电和放电。PFC电感的瞬时电流定时振荡，以使平均电感电流以小幅度净增加和净降低，PFC控制器随时间对此进行管理，以产生期望的正弦波形。
【图3：高频开关形成的平均电感波形】
在PFC级中交错
在高功率应用中，可在被称为交错的过程中将PFC级分为两个或更多个并行PFC回路，这种做法通常大有裨益。尽管交错会增加电路元件的数量，IC芯片代理商-全球电子元器件采购平台 但随着每个通道中的电流与开关频率的降低，可实现更好的整体功率和热管理、更高的效率，并且由于所需的电感明显更小，实际上可以降低成本。
【图4：三个交错通道的总PFC电流】
由于PFC控制器能够产生用于驱动各个相位通道的独立PWM输出，从而可以进行交错。这些控制器上的固件总是包括切相逻辑，以便在功耗要求相对较低时限制使用的通道数量。
交流系统中的高级数字PFC控制器
用于现代转换器的数字PFC控制器在不断发展，并通过加入嵌入式功能来取代复杂的模拟电路，同时具有更大的灵活性和工作范围。另一个关键优势在于这些控制器上的可编程和可配置固件，这些固件使解决方案设计人员能够实施自己的逻辑并设置特定于应用的参数，以使转换器活动与特定的设计要求保持一致。
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例如，新型STNRGPF01几乎能够管理任何标准国际输入电源电压中高达3 kW的负载。控制器通过实施全面的电源和负载监控来实现高响应性和安全管理，并通过3通道交错来显著提高整体转换效率和降低主电感的成本和大小，该成本在大功率应用中可能十分高昂。ST的STNRG数字控制器系列中的另一款IC为最近发布的STNRGPF12，它可以通过双通道交错管理高达2千瓦的负载，并具有数字浪涌电流控制功能，可在电流尖峰可能损坏电路元件时实现精细启动阶段的卓越管理。
您的下一个交流设计中的ST评估板和eDesignSuite
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基于STNRGPF01数字控制器的STEVAL-IPFC01V1 3 kW三通道交错PFC
ST具有一系列PFC和独立的直流-直流数字SMPS板和套件，可帮助您探索和评估专为高端工业应用而设计的全功能解决方案。STEVAL-IPFC01V1 3 kW三通道交错PFC评估板的图像立竿见影地呈现了其高度紧凑的设计和非常高的功率密度，同时强调了高端PFC转换器的另一个重要的设计方面，即包含某些模拟电路，从而可在高频开关应用中确保最大程度的控制。
实际上，STEVAL-IPFC01V1和更新的STEVAL-IPFC12V1具有模拟传感元件和比较器，即使开关电路具有极高的频率，这些器件也可以将瞬时波形信息直接反馈到STNRG数字控制器，以实现逐周期电流调节。
最后，ST在其网站上提供了一个名为eDesignSuite的出色设计工具，该工具包括PFC转换器部分，可在设计阶段真正帮助您提高生产力。该软件不仅可以根据您的设计参数开发包含物料清单和原理图的完整解决方案，而且还可以生成自定义固件，您可以将固件上传到STNRG数字PFC控制器，以满足您的特定应用要求。
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