功率因数的校正

作者：Ramanan Natarajan  德州仪器
智能电表的部署正在全球范围内如火如荼地开展。通常，像你我这样的消费者只支付为空调以及支持互联网功能的大屏幕高清电视等所有家用电器供电所用的电量（kWh：千瓦时)。但事实上，对于所有不支持功率因数校正 (PFC) 的设备来说，从插座消耗的电能要高得多，得用千伏安时 (kVAh) 来表示。而这之间的成本差异则由公用事业公司慷慨承担了。


智能电表即可测量我们消耗的 kWh，也可测量公用事业公司最初产生及输送的 kVAh。值得注意的是这些智能设备能够显示我们不好的消费习惯。我们最好尽快校正功率因数，以免电力公司醒悟过来决定向我们索取他们应得的那份利益。
免受公用事业公司“复仇”之苦的一个办法是使用ti 全新功率因数校正控制器 UCC28180。该产品在连续导通模式下工作，支持从几百瓦到数千瓦的宽泛功率级，进而可用于广泛的家庭及办公电器设备，例如电视、空调、大面积照明、投影仪、工作站，以及工业／IT 基础设施环境（包括用于过程自动化的电源、可编程逻辑控制器、网络／电信领域的数据中心服务器以及蜂窝基站等）。


采用 UCC28180 实现功率因数校正主要分为“有源”PFC 控制和“无源”PFC 控制。
“有源”PFC 控制使用一个开关模式电源转换器。“无源”PFC 控制只需将无源电气组件（我们优良的旧电感器与电容器）插入电气设备前端。
尽管组件数量可能会增加，但通过从无源 PFC 控制转为有源 PFC 控制，可显著节省总体设备成本，缩小尺寸，并减轻重量。一个典型实例就是用于数千瓦商用空调机 (A/C)。在这种情况下，无源 PFC 电感器的尺寸和重量都非常大，制造商不得不将其固定在底座上，并将连接它的配线添加至驱动主压缩机和电机的其余电子设备部分。采用具有高频率开关的有源 PFC 方案，电感器的尺寸和重量便可缩小数倍，从而可降低电磁元件的成本。此外，从机械设计角度来看，还可将电感器直接安装在主电子设备电路板上，以降低专用装配成本。
UCC28180 可在低至 18kHz 的低开关频率下正常工作，有助于使用高效率大电流 IGBT 电源开关在数千瓦范围内实现比功率 MOSFET 更优异的性能。
与此同时，随着 SiC MOSFET 和 GaN HEMT 等全新电源器件的推出，UCC28180 可支持高达 250kHz 的开关频率，能够帮助您兑现宽带隙电源半导体的一贯承诺，为电源实现 50+W/in3 和 98+% 的最佳峰值效率。
总谐波失真 (THD) 如今已成为功率因数校正控制器应用中的必要性能参数。简言之，该参数代表着由剩余谐波之和表示的部分基本 AC 输入线路电流谐波 (47-63Hz)。测量基本谐波百分比，目的是将该参数保持在低至 5~10% 之间，尤其是在设备消耗大量电源的情况下，其可理解为达到铭牌额定功率值的 50% 至 100%。

在由不间断电源 (UPS) 供电的设备中，如果要在这种负载条件下维持更长的时间，可能需要将 THD 降低至铭牌功率额定值的 10-20%。这是由于 UPS 需要完成一项艰巨的任务，即在高 THD 负载下提供具有良好稳压的 AC 输出。这种情况的典型实例是采用 UPS 的数据中心服务器电源，在夜间业务停止及办公室关闭时，该服务器将会在这些轻负载条件下空闲数小时。


当前业界已推出各种模拟 PFC 控制器，在将强电流感应信号提供给设备时，就可获得低 THD。然而，强电流感应信号（尤其在轻负载条件下）意味着使用大分流电阻器测量输入 AC 电流，这样做的缺陷是会消耗更多的电源 (IRMS2R)。通过使用支持内部微调高精度电流环路的 UCC28180，您可实现低至 5% 的 THD，实现比目前业界器件所用分流电阻小 50% 的分流电阻，从而可实现真正的高性能功率因数校正转换器。因此，最好使用 UCC28180 来校正功率因数！