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本文主要是關(guān)于功率因數(shù)的相關(guān)介紹，并著重對(duì)功率因數(shù)和主動(dòng)PFC電源的原理及構(gòu)造進(jìn)行了詳盡的闡述。
功率因數(shù)
功率因數(shù)（Power Factor）的大小與電路的負(fù)荷性質(zhì)有關(guān)， 如白熾燈泡、電阻爐等電阻負(fù)荷的功率因數(shù)為1，一般具有電感性負(fù)載的電路功率因數(shù)都小于1。功率因數(shù)是電力系統(tǒng)的一個(gè)重要的技術(shù)數(shù)據(jù)。功率因數(shù)是衡量電氣設(shè)備效率高低的一個(gè)系數(shù)。功率因數(shù)低，說(shuō)明電路用于交變磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換的無(wú)功功率大， 從而降低了設(shè)備的利用率，增加了線路供電損失。在交流電路中，電壓與電流之間的相位差（Φ）的余弦叫做功率因數(shù)，用符號(hào)cosΦ表示，在數(shù)值上，功率因數(shù)是有功功率和視在功率的比值，即cosΦ=P/S.
最基本分析
拿設(shè)備作舉例。例如：設(shè)備功率為100個(gè)單位，也就是說(shuō)，有100個(gè)單位的功率輸送到設(shè)備中。然而，因大部分電器系統(tǒng)存在固有的無(wú)功損耗，只能使用70個(gè)單位的功率。很不幸，雖然僅僅使用70個(gè)單位，卻要付100個(gè)單位的費(fèi)用。（使用了70個(gè)單位的有功功率，你付的就是70個(gè)單位的消耗）在這個(gè)例子中，功率因數(shù)是0.7 （如果大部分設(shè)備的功率因數(shù)小于0.9時(shí)，將被罰款），這種無(wú)功損耗主要存在于電機(jī)設(shè)備中（如鼓風(fēng)機(jī)、抽水機(jī)、壓縮機(jī)等），又叫感性負(fù)載。功率因數(shù)是馬達(dá)效能的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。
基本分析
每種電機(jī)系統(tǒng)均消耗兩大功率，分別是真正的有功（單位：瓦）及電抗性的無(wú)功（單位：乏）。功率因數(shù)是有用功與總功率間的比值。功率因數(shù)越高，有用功與總功率間的比值就越大，系統(tǒng)運(yùn)行則更有效率。
高級(jí)分析
在感性負(fù)載電路中，電流波形峰值在電壓波形峰值之后發(fā)生。兩種波形峰值的分隔可用功率因數(shù)表示。功率因數(shù)越低，兩個(gè)波形峰值則分隔越大。
非線性負(fù)載
電力系統(tǒng)上常見(jiàn)的非線性負(fù)載包括整流器（用在電源供應(yīng)器中），或是像螢光燈、電焊機(jī)或電弧爐電弧放電的設(shè)備。由于這些系統(tǒng)的電流會(huì)因?yàn)樵那袚Q而中斷，電流會(huì)含有諧波成份，其頻率為電源系統(tǒng)的整數(shù)倍數(shù)?；児β室蜃樱―istortion Power Factor）可用來(lái)量度電流的諧波畸變對(duì)其平均功率的影響。
電腦電源供應(yīng)器的弦波電壓及非弦波電流，其畸變功率因子為0.75。
非弦波成份
非線性負(fù)載將電流波形由正弦波扭曲成其他波形。非線性負(fù)載的輸入電流中除了原來(lái)電源的頻率（基頻）外，其中也會(huì)有許多高頻的諧波電流成份。由電容器及電感器等線性元件組成的濾波器可以降低諧波電流由負(fù)載端進(jìn)入電源系統(tǒng)中。
線性元件組成的電路若電壓為一正弦波，其電流也是相同頻率的弦波。其功率因子只是因?yàn)殡妷汉碗娏髦g的相位差，也可以稱為位移功率因子（Displacement Power Factor）。若電流或電壓非弦波，視在功率包括所有諧波成份時(shí)，功率因子中不但有電壓和電流之間的相位差導(dǎo)致的位移功率因子，也會(huì)有對(duì)應(yīng)諧波成份的畸變功率因子。
一般的三用電表無(wú)法量測(cè)非線性負(fù)載的輸入電流。三用電表會(huì)量測(cè)整流后波形的平均值。若使用量測(cè)均方根（RMS）值的電表，可以量測(cè)實(shí)際電流及電壓的均方根值，因此也可以計(jì)算視在功率。若要量測(cè)有功功率或無(wú)功功率，需使用針對(duì)非正弦波電流設(shè)計(jì)的瓦特表。
畸變功率因子
畸變功率因子（Distortion Power Factor）量度電流的諧波畸變對(duì)其平均功率的影響。
為負(fù)載電流的總諧波畸變。上述定義假設(shè)電壓仍維持正弦波，沒(méi)有畸變，此假設(shè)接近一般實(shí)際應(yīng)用的情形。為電流的基頻成份，而為總電流，二者都以均方根值表示。
若將畸變功率因子乘以位移功率因子（Displacement Power Factor，簡(jiǎn)稱DPF），即可得到總功率因子，也可稱為真功率因子，或直接簡(jiǎn)稱為功率因子。
開(kāi)關(guān)電源是一種常見(jiàn)的非線性負(fù)載，世界上至少有數(shù)百萬(wàn)臺(tái)個(gè)人電腦中有開(kāi)關(guān)電源，功率輸出從數(shù)瓦到一千瓦。早期廉價(jià)的開(kāi)關(guān)電源中有一個(gè)全波整流器，整流器只有在電源端電壓超過(guò)內(nèi)部電容器的電壓時(shí)才會(huì)導(dǎo)通，因此其峰值因子很高，畸變功率因子很低，而且在三相的電流系統(tǒng)中，其中線性電流不會(huì)為零，可能會(huì)有中性線負(fù)載過(guò)大的問(wèn)題［6］。
典型的開(kāi)關(guān)電源首先會(huì)用整流二極管產(chǎn)生直流電壓，再由直流電壓產(chǎn)生輸出電壓。由于整流器為非線性元件，其輸入電流會(huì)有許多的高次諧波成份。此情形會(huì)造成電力公司的困擾，因?yàn)闊o(wú)法靠加入電容器及電感器的方式補(bǔ)償高頻的諧波成份。因此一些地區(qū)已開(kāi)始立法要求所有功率大于一定值的電源供應(yīng)器需要有功率因子修正機(jī)能。
歐盟為了提升功率因子，有設(shè)置諧波的標(biāo)準(zhǔn)。若要符合現(xiàn)行歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN61000-3-2，所有輸出功率大于75W的開(kāi)關(guān)電源至少需要有被動(dòng)功率因子修正（passive PFC）機(jī)能。而80 PLUS開(kāi)關(guān)電源認(rèn)證要求功率因子至少需到達(dá)0.9的水平［7］。
改善
電網(wǎng)中的電力負(fù)荷如電動(dòng)機(jī)、變壓器、日光燈及電弧爐等，大多屬于電感性負(fù)荷，這些電感性的設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中不僅需要向電力系統(tǒng)吸收有功功率，還同時(shí)吸收無(wú)功功率。因此在電網(wǎng)中安裝并聯(lián)電容器無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備后，將可以提供補(bǔ)償感性負(fù)荷所消耗的無(wú)功功率，減少了電網(wǎng)電源側(cè)向感性負(fù)荷提供及由線路輸送的無(wú)功功率。由于減少了無(wú)功功率在電網(wǎng)中的流動(dòng)，因此可以降低輸配電線路中變壓器及母線因輸送無(wú)功功率造成的電能損耗，這就是無(wú)功補(bǔ)償?shù)男б妗?無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹饕康木褪翘嵘a(bǔ)償系統(tǒng)的功率因數(shù)。因?yàn)楣╇娋职l(fā)出來(lái)的電是以kVA或者M(jìn)VA來(lái)計(jì)算的，但是收費(fèi)卻是以kW，也就是實(shí)際所做的有用功來(lái)收費(fèi)，兩者之間有一個(gè)無(wú)效功率的差值，一般而言就是以kvar為單位的無(wú)功功率。大部分的無(wú)效功都是電感性，也就是一般所謂的電動(dòng)機(jī)、變壓器、日光燈……，幾乎所有的無(wú)效功都是電感性，電容性的非常少見(jiàn)，例如：變頻器就是容性的，在變頻器電源端加入電抗器可提高功率因數(shù)。
內(nèi)容
由于感性、容性或非線性負(fù)荷的存在，導(dǎo)致系統(tǒng)存在無(wú)功功率，從而導(dǎo)致有功功率不等于視在功率，三者之間關(guān)系如下：
S^2=P^2+Q^2
一種有源功率因數(shù)校正電路
一種有源功率因數(shù)校正電路
??；S為視在功率，P為有功功率，Q為無(wú)功功率。三者的單位分別為VA（或kVA），W（或kW），var（或kvar）。
簡(jiǎn)單來(lái)講，在上面的公式中，如果今天的kvar的值為零的話，kVA就會(huì)與kW相等，那么供電局發(fā)出來(lái)的1kVA的電就等于用戶1kW的消耗，此時(shí)成本效益最高，所以功率因數(shù)是供電局非常在意的一個(gè)系數(shù)。用戶如果沒(méi)有達(dá)到理想的功率因數(shù)，相對(duì)地就是在消耗供電局的資源，所以這也是為什么功率因數(shù)是一個(gè)法規(guī)的限制。就國(guó)內(nèi)而言功率因數(shù)規(guī)定是必須介于電感性的0.9～1之間，低于0.9時(shí)需要接受處罰。
好處
供電部門為了提高成本效益要求用戶提高功率因數(shù)，那提高功率因數(shù)對(duì)用戶端有什么好處呢？
① 通過(guò)改善功率因數(shù)，減少了線路中總電流和供電系統(tǒng)中的電氣元件，如變壓器、電器設(shè)備、導(dǎo)線等的容量，因此不但減少了投資費(fèi)用，而且降低了本身電能的損耗。
② 良好的功因數(shù)值的確保，從而減少供電系統(tǒng)中的電壓損失，可以使負(fù)載電壓更穩(wěn)定，改善電能的質(zhì)量。
?、?可以增加系統(tǒng)的裕度，挖掘出了發(fā)供電設(shè)備的潛力。如果系統(tǒng)的功率因數(shù)低，那么在既有設(shè)備容量不變的情況下，裝設(shè)電容器后，可以提高功率因數(shù)，增加負(fù)載的容量。
舉例而言，將1000kVA變壓器之功率因數(shù)從0.8提高到0.98時(shí)：
補(bǔ)償前：1000×0.8=800kW
補(bǔ)償后：1000×0.98=980kW
同樣一臺(tái)1000kVA的變壓器，功率因數(shù)改變后，它就可以多承擔(dān)180kW的負(fù)載。
④ 減少了用戶的電費(fèi)支出；透過(guò)上述各元件損失的減少及功率因數(shù)提高的電費(fèi)優(yōu)惠。
此外，有些電力電子設(shè)備如整流器、變頻器、開(kāi)關(guān)電源等；可飽和設(shè)備如變壓器、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)等；電弧設(shè)備及電光源設(shè)備如電弧爐、日光燈等，這些設(shè)備均是主要的諧波源，運(yùn)行時(shí)將產(chǎn)生大量的諧波。諧波對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、變壓器、電動(dòng)機(jī)、電容器等所有連接于電網(wǎng)的電器設(shè)備都有大小不等的危害，主要表現(xiàn)為產(chǎn)生諧波附加損耗，使得設(shè)備過(guò)載過(guò)熱以及諧波過(guò)電壓加速設(shè)備的絕緣老化等。
并聯(lián)到線路上進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)碾娙萜鲗?duì)諧波會(huì)有放大作用，使得系統(tǒng)電壓及電流的畸變更加嚴(yán)重。另外，諧波電流疊加在電容器的基波電流上，會(huì)使電容器的電流有效值增加，造成溫度升高，減少電容器的使用壽命。
諧波電流使變壓器的銅損耗增加，引起局部過(guò)熱、振動(dòng)、噪音增大、繞組附加發(fā)熱等。
諧波污染也會(huì)增加電纜等輸電線路的損耗。而且諧波污染對(duì)通訊質(zhì)量有影響。當(dāng)電流諧波分量較高時(shí)，可能會(huì)引起繼電保護(hù)的過(guò)電壓保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)的誤動(dòng)作。
因此，如果系統(tǒng)量測(cè)出諧波含量過(guò)高時(shí)，除了電容器端需要串聯(lián)適宜的調(diào)諧（detuned）電抗外，并需針對(duì)負(fù)載特性專案研討加裝諧波改善裝置。
選擇主動(dòng)PFC電源的原因
PFC是電腦電源中的一個(gè)非常重要的參數(shù)，全稱是電腦功率因素校正，簡(jiǎn)稱為PFC。
計(jì)算機(jī)電源負(fù)責(zé)把交流電（AC）轉(zhuǎn)成直流電（DC）為主機(jī)提供全部電力，因此其能源轉(zhuǎn)換效率高低是一項(xiàng)非常重要的節(jié)能省電指標(biāo)。電源的能源轉(zhuǎn)換效率跟標(biāo)稱功率大小并無(wú)必然關(guān)系，它是電源在處理AC至DC變壓過(guò)程中，能量的剩余比例，而此效率基本取決于電源內(nèi)部的功率因素校正電路（PFC，Power Factor Correction）。
PFC主要有兩種，一種叫主動(dòng)式PFC，另一種叫被動(dòng)式PFC。
主動(dòng)式PFC，也稱有源PFC。主動(dòng)式PFC使用主動(dòng)組件 ［控制線路及功率型開(kāi)關(guān)式組件（power sine conductor On/Off switch），基本運(yùn)作原理為調(diào)整輸入電流波型使其與輸入電壓波形盡可能相似，功率因素校正值可達(dá)近乎100%。此外主動(dòng)式PFC有另一項(xiàng)重要附加價(jià)值，即電源供應(yīng)器輸入電壓范圍可擴(kuò)增為90Vdc到264Vdc的全域電壓，電源供應(yīng)器不需要像以往一般需切換電壓。相對(duì)地，因?yàn)槠鋬?yōu)異功能，主動(dòng)式PFC價(jià)格也較高。另外消費(fèi)者還要注意，一般而言很多被動(dòng)式的設(shè)計(jì)，在115V的系統(tǒng)上是沒(méi)有置入的，因?yàn)?a target="_blank">廠商只作230V的部分，所以需請(qǐng)?jiān)?15V電壓系統(tǒng)下的消費(fèi)者，留意此問(wèn)題，可能多花了錢卻買到在115V下沒(méi)有PFC作用的電源供應(yīng)器。
被動(dòng)式PFC，不論靜音與否，他們都可以被稱作無(wú)源PFC。無(wú)源PFC一般采用電感補(bǔ)償方法使交流輸入的基波電流與電壓之間相位差減小來(lái)提高功率因數(shù)，但無(wú)源PFC的功率因數(shù)不是很高，只能達(dá)到0.7~0.8。靜音型被動(dòng)PFC相比非靜音型被動(dòng)PFC，無(wú)論是成本上還是制造工藝上要求都比較高。這里還要說(shuō)明的是，PFC會(huì)產(chǎn)生噪聲的原因。從原理上講，我們?cè)谏厦婵吹降牟糠纸Y(jié)構(gòu)上和電感類似，在對(duì)電流和電壓補(bǔ)償?shù)倪^(guò)程中，始終進(jìn)行著充放電的過(guò)程，因而產(chǎn)生了磁性，最終會(huì)和周邊的金屬元件產(chǎn)生震動(dòng)進(jìn)而發(fā)出噪音。靜音型PFC相當(dāng)于兩個(gè)非靜音型PFC的疊加，達(dá)到震動(dòng)互相抵消的目的。但是，在消除噪音的手段中，安裝是否得當(dāng)也是對(duì)靜音效果影響較大的因素?！】傮w上來(lái)說(shuō)，非靜音型被動(dòng)PFC與靜音型被動(dòng)PFC所能達(dá)到的效果大致相當(dāng)，但都要低于主動(dòng)式PFC的功因校正效果。
動(dòng)式PFC優(yōu)于被動(dòng)式PFC，因此，選擇節(jié)能型的電源必須首選采用主動(dòng)式PFC電路設(shè)計(jì)的電源。
主動(dòng)式PFC提升功率因素值至95%以上，被動(dòng)式PFC約只能改善至75%。換句話說(shuō)，主動(dòng)式PFC比被動(dòng)式PFC能節(jié)約更多的能源。
采用主動(dòng)式PFC的電源供應(yīng)器的重量，較用笨重組件的被動(dòng)式PFC產(chǎn)品要輕巧許多，而產(chǎn)品走向輕薄小是未來(lái)3C市場(chǎng)必然趨勢(shì)。
主動(dòng)式PFC的優(yōu)點(diǎn)：
校正效果遠(yuǎn)優(yōu)于歐洲的 EN 諧波規(guī)范，即便未來(lái)規(guī)格更趨嚴(yán)格也都能符合規(guī)定。 隨著IC零件需求增加，成本將隨之降低。
較無(wú)原料短缺的風(fēng)險(xiǎn)。
較被動(dòng)式專業(yè)的解決方案。
能以較低成本帶來(lái)全域電壓的高附加價(jià)值。
功率因素接近完美的100%，使電力利用率極佳化，對(duì)環(huán)保有益。
因應(yīng)未來(lái)CPU發(fā)展趨勢(shì)，輸出瓦特?cái)?shù)（電力）要求將越高，主動(dòng)式PFC因成本不隨輸出瓦特?cái)?shù)增加而上升，故擁有較好競(jìng)爭(zhēng)力。
被動(dòng)式PFC的缺點(diǎn)：
當(dāng)歐洲EN的諧波規(guī)范越來(lái)越嚴(yán)格時(shí)，電感量產(chǎn)的質(zhì)量需提升，而生產(chǎn)難度將提高。
沉重重量增加電源供應(yīng)器在運(yùn)輸過(guò)程損壞的風(fēng)險(xiǎn)。
原料短缺的風(fēng)險(xiǎn)較高。
如電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)固定的不正確，容易產(chǎn)生震動(dòng)噪音。
當(dāng)電源供應(yīng)器輸出超過(guò)300瓦以上，被動(dòng)式PFC在材料成本及產(chǎn)品性能表現(xiàn)上將越不具競(jìng)爭(zhēng)力。
PFC作為決定電源轉(zhuǎn)換效率的重要因素，其主要分為主動(dòng)PFC與被動(dòng)PFC。前者帶來(lái)的是更高的功率因數(shù)但成本也會(huì)有很大的增加，后者雖然價(jià)格低廉但功率因數(shù)也會(huì)有所下降。
主動(dòng)PFC電路本身?yè)p耗的電能比起被動(dòng)PFC電路更高，從而直接降低了電源的轉(zhuǎn)換效率，因?yàn)橛懈嗟碾娔懿](méi)有被實(shí)際負(fù)載利用上。PFC電路所調(diào)節(jié)的功率因數(shù)，是給電廠節(jié)省了電能，而并沒(méi)有真正給用戶節(jié)省。
主動(dòng)PFC的優(yōu)缺點(diǎn)
主動(dòng)PFC的優(yōu)勢(shì)是，電壓適應(yīng)范圍寬，功率因數(shù)高。功率因數(shù)和轉(zhuǎn)換效率是兩個(gè)不同的指標(biāo)。功率因數(shù)是電路的參數(shù)，交流電路中的一個(gè)指標(biāo)，和線路損耗有一定的關(guān)系。功率因數(shù)的范圍是0~1.0，1.0是最理想的，0在實(shí)際電路中其實(shí)不存在。供電局對(duì)這個(gè)指標(biāo)比較重視，對(duì)于一般家用沒(méi)有實(shí)際意義。轉(zhuǎn)換效率是關(guān)于能量轉(zhuǎn)換的，直接決定電源的損耗大小。轉(zhuǎn)換效率的范圍是 0% ~100%，100%是理想的狀態(tài)，0%是最差勁的極端。這才是我們應(yīng)該關(guān)心的，轉(zhuǎn)換效率越低，電源損耗越大，浪費(fèi)的電越多。功率因數(shù)不影響電表走字，0.1和1.0都是一樣的走法。轉(zhuǎn)換效率要影響電表走字，轉(zhuǎn)換效率越低，損耗的電能越多，電表也會(huì)多走些。高功率因數(shù)，是在給供電局省錢。
主動(dòng)PFC和電源轉(zhuǎn)換效率并沒(méi)有必然聯(lián)系。就目前市面上的產(chǎn)品來(lái)看，大部分高轉(zhuǎn)換效率的電源都是主動(dòng)PFC的，也同時(shí)擁有很高的功率因數(shù)。之所以目前市場(chǎng)上大多數(shù)電源都是主動(dòng)式PFC，是由于以下幾點(diǎn)原因。
由于低端產(chǎn)品對(duì)成本的要求過(guò)于嚴(yán)格，所以幾乎不可能使用主動(dòng)PFC設(shè)計(jì)。而購(gòu)買這種商品的人同樣不會(huì)關(guān)心功率因數(shù)及轉(zhuǎn)換效率究竟如何。因此低端電源普遍采用了傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)，效率低，功率因數(shù)也低。高端電源主要針對(duì)電腦玩家和專業(yè)場(chǎng)合設(shè)計(jì)，功率普遍很大，成本可以放寬，本身賣得也很貴。被動(dòng)PFC在功率超過(guò)400W以后，損耗變大，效率變低，體積太大，重量也大。
主動(dòng)PFC在400W功率以上效率有優(yōu)勢(shì)，雖然價(jià)格貴，但是高端用戶不會(huì)在乎這一點(diǎn)價(jià)格。高端電源通常都不會(huì)沿用傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)，而是廠家精心研發(fā)的先進(jìn)電路，效率自然提高很多。最終的結(jié)果就是：高端電源幾乎全都是主動(dòng)PFC，功率因數(shù)很高，效率也很高。
實(shí)際上，主動(dòng)PFC在低功率時(shí)，自身?yè)p耗大于被動(dòng)PFC。畢竟它是一個(gè)復(fù)雜的電路，工作起來(lái)要消耗電能;而被動(dòng)PFC就是一個(gè)電感。不過(guò)很少有人讓高端電源工作的低負(fù)載下，這個(gè)問(wèn)題也就不明顯了。
主動(dòng)PFC還有一個(gè)最麻煩的缺點(diǎn)：電磁干擾大。為了搞定電磁干擾，EMI濾波電路要加強(qiáng)，電路更加復(fù)雜。有些電源在待機(jī)時(shí)發(fā)出高頻噪音，也是因?yàn)橹鲃?dòng)PFC?？偨Y(jié)
高端電源（400W或更高），首選主動(dòng)PFC，在大功率的場(chǎng)合，主動(dòng)PFC優(yōu)勢(shì)明顯，高端產(chǎn)品成本上不受限制，電路設(shè)計(jì)優(yōu)秀，完全可以彌補(bǔ)主動(dòng)PFC的缺點(diǎn)。高效率高性能的產(chǎn)品誰(shuí)都喜歡。
低端電源（350W或更低），根據(jù)自己的需求選擇，不必苛求主動(dòng)PFC，在成本受限的情況下，主動(dòng)PFC的缺點(diǎn)開(kāi)始暴露，電磁干擾，高頻噪音。在300W這個(gè)等級(jí)，主動(dòng)PFC已經(jīng)完全沒(méi)有優(yōu)勢(shì)了。
結(jié)語(yǔ)
關(guān)于功率因數(shù)和主動(dòng)PFC電源的相關(guān)介紹就到這了，如有不足之處歡迎指正。
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論