如何測量功率因數修正器的效果?

功率因數修正器也為功率因數校正器，英文全稱Power Factor Corrector，簡稱PFC，功率因數指有效功率與總耗電量（視在功率）之間的比值關系，用來衡量用電設備用電效率的參數，低功率因數代表低電力效能。為了提高用電設備功率因數的技術稱為功率因數校正。目前PFC電路有兩種，一種為被動式PFC（無源PFC）和主動式PFC（有源PFC）。本文從四個方面講述如何測量PFC效果，以提升PFC設計能力，進而提高用電設備功率因數。

一、為什么要進行PFC？

信息時代，電子、計算機產品已普遍得到使用，同時環保和節能意識亦日益受到重視。因此，對于電子、計算機等產品耗電電流所產生的諧波電流改善已日益重要。一般電子、計算機產品的電源，除使用電池外，均來自市電，雖然輸入電壓波形為正弦波，由于其電源的電路結構使用二極管整流、濾波后再經電流轉換電路(圖1)，因而造成輸入電流波形卻為脈沖式波形。由整流二極管與濾波電容器所組成的電路，造成為交流電壓的瞬時值大于濾波電容器的電壓時，整流二極管才導通，所以形成僅在輸入電壓的峰值大于濾波電容器上的電壓值時才能輸入電流，造成輸入脈沖電流波形，形成諧波電流和功率因素降低(一般為0.6～0.7)的結果。

圖1 全橋二極管整流器電路及其電壓電流波形

上述結果與理想無諧波電流(功率因素為1)存在明顯差異，導致用電效率降低。在表1中，一般電源供應器從1440VA容量市電中其功率因素為0.65，到負載可用功率為702W，具有PFC能力的電源供應器，其輸入功率因素可達0.99，到負載可用功率為1015W。歐洲CEMAR明文要求超過300W耗電量的產品，必須符合諧波電流限制要求，即提高功率因素(約0.95以上)才能符合CE要求，才能在歐洲銷售。

表1 典型的電源供應器輸入電路與波形

表1為傳統的整流濾波電路與PFC校正電路的電源供應器的比較，在一個傳統的15A、120V市電電路中，UL規定在15A斷路器容量下其連續RMS電流值，必須低于12A，才能符合UL的安規要求，因此只有1440VA的容量可使用，在考慮一般的能源轉換效率及不好的功率因素后，得到僅有702W的功率能轉換到負載上（1440＊0.75＊0.65＝702Ｗ），然而有PFC前端電路的電源供應器，便能提升到1015W的功率轉換到負載上。

由此可看出，提升設備功率因素或對功率因數進行補償，便能提升用電效率及減少電流諧波干擾，進而減緩對新電廠的需求，對于日益重視環保和節能的趨勢下，確有其意義。

二、怎么實現PFC？

傳統的電機產品，如馬達等電感性產品，其功率因素提升靠并聯電容器使負載呈現阻抗，便可提升改善，但現在的電子、計算機產品屬于整流性負載，其電流波形不像電感性負載是正弦波，而是脈沖波形，因此無法僅靠并聯電容器便可達到提高功率的效果。

實際上，對于整流性負載的電子、計算機產品，為提高功率因素，采用無源PFC及有源PFC兩種方式。 無源PFC使用電感器（如圖2）、電容器（如圖3）所組成的網絡來降低諧波電流，因電源頻率為50或60HZ的低頻，故需體積不小的電感與電容器，另外功率因素提升的效果較差，改良的成果較有限，因此很少采用。圖2輸入端的電感工作頻率為電源頻率(50/60Hz)，因為電感可以抑制電流的突變，所以輸入電流的波形會比較平滑。圖3則是利用部份平坦的電路架構，來改善功率因素，其原理,是延長電源電壓大于輸出電壓的范圍，根據二極管導通的條件，輸入電流的波形將變的較平坦。

圖2 無源PFC濾波電感功率因素修正電路   圖3 加入部份平坦電容的功率因素修正電路

有源PFC采用有源元件（控制電路及功率半導體開關），如圖4所示。其基本工作原理是調整輸入電流波形與其輸入電壓波形相同，以便達到功率因素為1，目前許多廠商提供PFC控制IC，僅要外加功率晶體管、電感器等少數外部零件，便可組成一個有源式功率因素調整器，如圖4(b)BOOST結構功率因素調整器為升壓型，即輸入電壓范圍從90Vdc到264V，不需要另外開關切換選擇范圍，這是功率因素調整器一項重要附加價值，而功率因素調整器輸出約為380Vdc內含10Vp-p(50/60HZ紋波及高頻噪聲)的信號。

內含PFC的電源如下圖5和圖6所示：

圖5  PFC 方塊圖      圖6  PFC 電路

三、如何測試PFC效果？或PFC測試采用哪些技術？

測試與驗證內含PFC的電源供應器（如圖5）時，需要對其輸入與輸出做多項測試，主要如下：①輸入電壓對輸入功率因素調整率：為輸入電壓變化時，對輸入功率因素的變化率。 ②輸出負載對功率因素調整率：為負載電流變化時，對輸入功率因素的變化率。③綜合輸入功率因素調整率：為輸入電壓與輸出負載一起變化時，對輸入功率因素的變化率。

這些參數測試，方法有以下兩種：

一是采用各種獨立的儀器：以上測試時輸入電壓的變化可用自耦調壓器或交流電源來改變輸入電壓模擬實際上可能的電壓變化，例如90～115～132V或180～23～264V或90～115～264V等各種電壓組合。輸入功率測量需要精密功率表，例如海洋儀器推出的4010A功率表或PA310精密功率計。這些功率表必須在15V~600V電壓范圍內，都要有一致性的精度，才能在不同輸入電流大小下獲得可靠的結果。在輸出負載上可使用電子負載來仿真各種不同負載的狀況。

以上方法是使用電源供應器整體測試驗證PFC的效能，屬于較間接的驗證方式。因為負載變化時，經過圖5b的Switching regulator，若Switching regulator有異常現象時，對圖5a的PFC驗證可能有些偏差！此測試方法對生產中的成品測試檢驗較適合。

二是對圖6的PFC部份做單獨驗證，此時僅把輸出的負載，改為500V高壓電子負載來仿真圖5b的Switching regulator 及DC output Current，這樣很真實地對PFC調整器做輸入電壓、輸出負載和綜合輸入功率調整率的驗證。此時僅使用高壓電子負載，如海洋儀器推出的博計3314F、3361F、3342F、33621F等產品便可直接測試驗證PFC效能。此測試方法在產品開發時對PFC驗證和生產中對PFC半成品測試均十分適合。

四、海洋儀器有哪些測試PFC效能的儀器？

海洋儀器作為一家電子測試儀器產品的綜合服務商，致力于提供測試功率因數校正器的儀器整體方案。海洋儀器對PFC測試所需儀器提供最佳的整體解決方案如下：精密臺式數字萬用表、精密數字化功率表與高壓500V電子負載。

精密臺式數字萬用表主要有手持5位半萬用表OI859CF、臺式5位半萬用表ODM5514和6位半萬用表HM8112-3。

精密數字化功率表主要有4010A和PA310，它們采用對電壓電流波形同時數字取樣，再依據RMS、Watt及PF原理，運用微處理器計算出精度高達0.1%的RMS電壓、電流、瓦特及誤差低于±0.002位的功率因素，具有在寬電壓與電流范圍下的高精度及一致性，是目前市場上測量最精確且價格合理的精密功率表。

3314F、3342F、3361F高壓電子負載專為PFC輸出測試所設計的500V高壓電子負載，具有定電流及定電阻模式，具有電壓、電流、功率及伏安電表，讓您容易讀出PFC的輸出電壓、電流、功率，再與數字化功率表所測量的輸入功率對比，便可計算出PFC的效率。其中3314F專供300W以下使用、3361F專供1200W以下使用、而33621F專供3600W以下使用；此外，33627F還可以供15KW以下測試使用。 

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