如何测量功率因数修正器的效果?

功率因数修正器也为功率因数校正器，英文全称Power Factor Corrector，简称PFC，功率因数指有效功率与总耗电量（视在功率）之间的比值关系，用来衡量用电设备用电效率的参数，低功率因数代表低电力效能。为了提高用电设备功率因数的技术称为功率因数校正。目前PFC电路有两种，一种为被动式PFC（无源PFC）和主动式PFC（有源PFC）。本文从四个方面讲述如何测量PFC效果，以提升PFC设计能力，进而提高用电设备功率因数。

一、为什么要进行PFC？

信息时代，电子、计算机产品已普遍得到使用，同时环保和节能意识亦日益受到重视。因此，对于电子、计算机等产品耗电电流所产生的谐波电流改善已日益重要。一般电子、计算机产品的电源，除使用电池外，均来自市电，虽然输入电压波形为正弦波，由于其电源的电路结构使用二极管整流、滤波后再经电流转换电路(图1)，因而造成输入电流波形却为脉冲式波形。由整流二极管与滤波电容器所组成的电路，造成为交流电压的瞬时值大于滤波电容器的电压时，整流二极管才导通，所以形成仅在输入电压的峰值大于滤波电容器上的电压值时才能输入电流，造成输入脉冲电流波形，形成谐波电流和功率因素降低(一般为0.6～0.7)的结果。

图1 全桥二极管整流器电路及其电压电流波形

上述结果与理想无谐波电流(功率因素为1)存在明显差异，导致用电效率降低。在表1中，一般电源供应器从1440VA容量市电中其功率因素为0.65，到负载可用功率为702W，具有PFC能力的电源供应器，其输入功率因素可达0.99，到负载可用功率为1015W。欧洲CEMAR明文要求超过300W耗电量的产品，必须符合谐波电流限制要求，即提高功率因素(约0.95以上)才能符合CE要求，才能在欧洲销售。

表1 典型的电源供应器输入电路与波形

表1为传统的整流滤波电路与PFC校正电路的电源供应器的比较，在一个传统的15A、120V市电电路中，UL规定在15A断路器容量下其连续RMS电流值，必须低于12A，才能符合UL的安规要求，因此只有1440VA的容量可使用，在考虑一般的能源转换效率及不好的功率因素后，得到仅有702W的功率能转换到负载上（1440＊0.75＊0.65＝702Ｗ），然而有PFC前端电路的电源供应器，便能提升到1015W的功率转换到负载上。

由此可看出，提升设备功率因素或对功率因数进行补偿，便能提升用电效率及减少电流谐波干扰，进而减缓对新电厂的需求，对于日益重视环保和节能的趋势下，确有其意义。

二、怎么实现PFC？

传统的电机产品，如马达等电感性产品，其功率因素提升靠并联电容器使负载呈现阻抗，便可提升改善，但现在的电子、计算机产品属于整流性负载，其电流波形不像电感性负载是正弦波，而是脉冲波形，因此无法仅靠并联电容器便可达到提高功率的效果。

实际上，对于整流性负载的电子、计算机产品，为提高功率因素，采用无源PFC及有源PFC两种方式。 无源PFC使用电感器（如图2）、电容器（如图3）所组成的网络来降低谐波电流，因电源频率为50或60HZ的低频，故需体积不小的电感与电容器，另外功率因素提升的效果较差，改良的成果较有限，因此很少采用。图2输入端的电感工作频率为电源频率(50/60Hz)，因为电感可以抑制电流的突变，所以输入电流的波形会比较平滑。图3则是利用部份平坦的电路架构，来改善功率因素，其原理,是延长电源电压大于输出电压的范围，根据二极管导通的条件，输入电流的波形将变的较平坦。

图2 无源PFC滤波电感功率因素修正电路   图3 加入部份平坦电容的功率因素修正电路

有源PFC采用有源元件（控制电路及功率半导体开关），如图4所示。其基本工作原理是调整输入电流波形与其输入电压波形相同，以便达到功率因素为1，目前许多厂商提供PFC控制IC，仅要外加功率晶体管、电感器等少数外部零件，便可组成一个有源式功率因素调整器，如图4(b)BOOST结构功率因素调整器为升压型，即输入电压范围从90Vdc到264V，不需要另外开关切换选择范围，这是功率因素调整器一项重要附加价值，而功率因素调整器输出约为380Vdc内含10Vp-p(50/60HZ纹波及高频噪声)的信号。

内含PFC的电源如下图5和图6所示：

图5  PFC 方块图      图6  PFC 电路

三、如何测试PFC效果？或PFC测试采用哪些技术？

测试与验证内含PFC的电源供应器（如图5）时，需要对其输入与输出做多项测试，主要如下：①输入电压对输入功率因素调整率：为输入电压变化时，对输入功率因素的变化率。 ②输出负载对功率因素调整率：为负载电流变化时，对输入功率因素的变化率。③综合输入功率因素调整率：为输入电压与输出负载一起变化时，对输入功率因素的变化率。

这些参数测试，方法有以下两种：

一是采用各种独立的仪器：以上测试时输入电压的变化可用自耦调压器或交流电源来改变输入电压模拟实际上可能的电压变化，例如90～115～132V或180～23～264V或90～115～264V等各种电压组合。输入功率测量需要精密功率表，例如海洋仪器推出的4010A功率表或PA310精密功率计。这些功率表必须在15V~600V电压范围内，都要有一致性的精度，才能在不同输入电流大小下获得可靠的结果。在输出负载上可使用电子负载来仿真各种不同负载的状况。

以上方法是使用电源供应器整体测试验证PFC的效能，属于较间接的验证方式。因为负载变化时，经过图5b的Switching regulator，若Switching regulator有异常现象时，对图5a的PFC验证可能有些偏差！此测试方法对生产中的成品测试检验较适合。

二是对图6的PFC部份做单独验证，此时仅把输出的负载，改为500V高压电子负载来仿真图5b的Switching regulator 及DC output Current，这样很真实地对PFC调整器做输入电压、输出负载和综合输入功率调整率的验证。此时仅使用高压电子负载，如海洋仪器推出的博计3314F、3361F、3342F、33621F等产品便可直接测试验证PFC效能。此测试方法在产品开发时对PFC验证和生产中对PFC半成品测试均十分适合。

四、海洋仪器有哪些测试PFC效能的仪器？

海洋仪器作为一家电子测试仪器产品的综合服务商，致力于提供测试功率因数校正器的仪器整体方案。海洋仪器对PFC测试所需仪器提供最佳的整体解决方案如下：精密台式数字万用表、精密数字化功率表与高压500V电子负载。

精密台式数字万用表主要有手持5位半万用表OI859CF、台式5位半万用表ODM5514和6位半万用表HM8112-3。

精密数字化功率表主要有4010A和PA310，它们采用对电压电流波形同时数字取样，再依据RMS、Watt及PF原理，运用微处理器计算出精度高达0.1%的RMS电压、电流、瓦特及误差低于±0.002位的功率因素，具有在宽电压与电流范围下的高精度及一致性，是目前市场上测量最精确且价格合理的精密功率表。

3314F、3342F、3361F高压电子负载专为PFC输出测试所设计的500V高压电子负载，具有定电流及定电阻模式，具有电压、电流、功率及伏安电表，让您容易读出PFC的输出电压、电流、功率，再与数字化功率表所测量的输入功率对比，便可计算出PFC的效率。其中3314F专供300W以下使用、3361F专供1200W以下使用、而33621F专供3600W以下使用；此外，33627F还可以供15KW以下测试使用。 

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