功率因數(shù)定義為設(shè)備能夠傳輸?shù)捷敵龆说哪芰颗c其從輸入電源處獲取的總能量之比。它是電子設(shè)備設(shè)計(jì)的關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)，很多國(guó)家和國(guó)際組織都為此制定了相應(yīng)的法規(guī)。例如歐盟定義了設(shè)備必須具備的最小功率因數(shù)或最大諧波水平，滿(mǎn)足其標(biāo)準(zhǔn)才能在歐洲市場(chǎng)進(jìn)行銷(xiāo)售。

這些組織之所以如此關(guān)注功率因數(shù)的提高，是因?yàn)榱淤|(zhì)電源對(duì)電網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生實(shí)際的威脅，它們會(huì)增加熱損耗并可能導(dǎo)致電源故障。

功率因數(shù)低主要有兩個(gè)原因：

• 位移：當(dāng)電路的電壓和電流波形異相時(shí)會(huì)產(chǎn)生位移，通常是由電感或電容等電抗元件引起的。

• 失真：波的原始形狀發(fā)生改變，通常是由整流器等非線性電路引起的。這些非線性波包含很多諧波含量，會(huì)使電網(wǎng)中的電壓失真。

功率因數(shù)校正（PFC）是一系列嘗試提高設(shè)備功率因數(shù)的方法。

解決位移問(wèn)題，通常采用外部無(wú)功元件來(lái)補(bǔ)償電路的總無(wú)功功率。

解決失真問(wèn)題有兩種方法：

• 無(wú)源功率因數(shù)校正（PFC）：使用無(wú)源濾波器濾除諧波以提高功率因數(shù)。這種方法適用于低功率應(yīng)用，在高功率應(yīng)用中，其效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

• 有源功率因數(shù)校正（PFC）：使用開(kāi)關(guān)變換器調(diào)制失真波，以將其整形為正弦波。整形后的信號(hào)中存在的唯一諧波位于開(kāi)關(guān)頻率處，因此很容易濾除。有源功率因數(shù)校正被認(rèn)為是最好的功率因數(shù)校正方法，但會(huì)增加設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

良好的功率因數(shù)校正電路對(duì)任何現(xiàn)代設(shè)計(jì)都至關(guān)重要，因?yàn)楣β室驍?shù)較差的設(shè)備效率也低下，而且會(huì)為電網(wǎng)帶來(lái)不必要的壓力，并可能給其他連網(wǎng)設(shè)備帶來(lái)問(wèn)題。

AC / DC電源中的功率因數(shù)校正（PFC）需求

在?另一篇文章中我們?cè)?jīng)討論過(guò)，AC / DC電源由多個(gè)電路組成，這些電路將輸入端的交流電壓轉(zhuǎn)換為輸出端穩(wěn)定的直流電壓。負(fù)責(zé)將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓的整流器是其中最重要的電路，但僅此電路是不足以確保正常工作的。

為了保證AC / DC電源的高效與安全，還需要結(jié)合隔離、功率因數(shù)校正（PFC）和降壓功能。這些元素可以保護(hù)用戶(hù)、保護(hù)電網(wǎng)和所有連接的設(shè)備，它們都一定程度地集成在所有的開(kāi)關(guān)電源中。

任何一個(gè)開(kāi)關(guān)電源的第一步操作都是對(duì)輸入電壓進(jìn)行整流。整流是將信號(hào)從交流電轉(zhuǎn)換為直流電的過(guò)程，通過(guò)整流器來(lái)完成。交流電中的負(fù)電壓可以通過(guò)半波整流器截止，也可以使用全波整流器反相。

全波整流器由四個(gè)二極管組成，并采用Graetz橋配置連接。這些二極管會(huì)隨著電源電壓從負(fù)變?yōu)檎鴮?dǎo)通和關(guān)斷，從而使負(fù)半周期極性反轉(zhuǎn)，并將交流正弦波轉(zhuǎn)換為直流波（見(jiàn)圖1）。

但整流器輸出波形具有較大的電壓變化，稱(chēng)為紋波電壓。將一個(gè)儲(chǔ)能電容器與二極管電橋并聯(lián)起來(lái)，可以幫助平滑輸出電壓紋波。

但如果仔細(xì)觀察整流器儲(chǔ)能電容器的輸出波形，會(huì)發(fā)現(xiàn)電容在很短的時(shí)間跨度內(nèi)被充電，具體來(lái)講，是從電容器輸入端電壓大于電容器電荷的那一點(diǎn)，到整流信號(hào)峰值之間。這會(huì)在電容器中產(chǎn)生一系列的短電流尖峰，看上去完全不似正弦曲線（見(jiàn)圖2）。

這些短電流尖峰不僅對(duì)電源，而且對(duì)整個(gè)電網(wǎng)都可能帶來(lái)嚴(yán)重影響。要了解其嚴(yán)重性，我們必須首先了解諧波的概念。

諧波與傅立葉變換

截至目前，我們所看到的大多數(shù)電波形都是正弦波。但實(shí)際上它通常不再是純粹的正弦波，尤其是當(dāng)電路中存在電抗元件（電容器、電感器）或非線性組件（晶體管、二極管）時(shí)。其波形由不同的、而且通常很復(fù)雜的數(shù)學(xué)函數(shù)來(lái)定義。這可能會(huì)使波形分析更加困難，因?yàn)榉治霰澈蟮臄?shù)學(xué)會(huì)相當(dāng)困難（請(qǐng)參見(jiàn)圖3）。

所幸在19世紀(jì)，法國(guó)數(shù)學(xué)家Jean-Baptiste Joseph Fourier提出了一種方法，可以將任意一個(gè)周期波形分解為一系列具有不同頻率的正弦和余弦波，稱(chēng)為諧波（見(jiàn)圖4）。其中第一個(gè)波為基波，是頻率最低的波。其他幾個(gè)波與基波相結(jié)合并給定振幅和頻率。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，波形形狀偏離純正弦波越多，其諧波就越多。

諧波頻率一定是基波頻率的整數(shù)倍。例如，如果某波的基頻為50Hz，則第二諧波頻率為100Hz，第三諧波頻率為150Hz，依此類(lèi)推。

振幅是諧波最重要的參數(shù)之一，它是諧波對(duì)基頻影響的度量。通常，基頻的振幅最大，諧波的振幅按其階次成比例地減小，因此實(shí)際上并不存在9次或20次諧波。諧波幅度可以繪制成圖表，顯示每個(gè)諧波在創(chuàng)建任意波形中所起的作用。

但對(duì)電容電流來(lái)說(shuō)，其波形看起來(lái)與三角函數(shù)非常相似。 理想情況下，這種波是無(wú)限短、無(wú)限強(qiáng)大的脈沖。不難理解，將這種形狀的波分解為正弦波會(huì)很復(fù)雜，而且會(huì)產(chǎn)生大量很強(qiáng)的諧波，幾乎涵蓋所有頻率（請(qǐng)參見(jiàn)圖5）。

這不一定是個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樵O(shè)備仍可為負(fù)載供電，它只會(huì)影響電源的功率因數(shù)，因此許多低功率AC / DC電源制造商對(duì)此不做處理。但是，如果有太多低功率因數(shù)的大功率設(shè)備連接到電網(wǎng)，則可能會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題，甚至?xí)斐赏ｋ姡?/p>

功率因數(shù)

交流電中的功率有三種類(lèi)型。第一種稱(chēng)為有功功率，通常指實(shí)際功率，即P。它表示傳遞給負(fù)載的凈能量。如果負(fù)載是純電阻性的，則線路中的所有功率均為有功功率，電壓和電流彼此同相振蕩。第二種，如果負(fù)載是純電抗性的，例如電感器或電容器，則為無(wú)功功率，通常表示為Q。這種功率用于在電抗性組件中產(chǎn)生并維持磁場(chǎng)與電場(chǎng)。這些場(chǎng)使電流相對(duì)于電壓錯(cuò)相。對(duì)于電容性負(fù)載，電流超前90°；對(duì)于電感性負(fù)載，電流落后90°（見(jiàn)圖6）。 這意味著由這些純電抗負(fù)載產(chǎn)生的總功率為零，因?yàn)檎裏o(wú)功功率被負(fù)無(wú)功功率抵消了。

在實(shí)際應(yīng)用中，負(fù)載不會(huì)是純電阻性或純電抗性，而是兩者的結(jié)合。第三種功率類(lèi)型是有功功率和無(wú)功功率之和，稱(chēng)為視在功率，即S。其和為二次方之和，而有功功率、無(wú)功功率和視在功率之間的關(guān)系通常表達(dá)為三角形。

功率因數(shù)是有功功率與視在功率之間的關(guān)系，對(duì)于測(cè)量電路中功率傳輸?shù)男史浅Ｓ杏茫ㄕ?qǐng)參見(jiàn)圖7）。

低功率因數(shù)是位移和失真兩種因素結(jié)合導(dǎo)致的結(jié)果。首先，在線性負(fù)載中，電抗性組件使電流和電壓波性異相。電壓和電流之間的相位差對(duì)總功率因數(shù)的影響由位移因數(shù)定義，通過(guò)等式（1）表示為波形之間角度的余弦值：

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