功率因素校正器PFC之测试

一、缘由

近年来，由于电子、计算机产品已十分普遍，同时，环保意识亦日益受到重视，因此对于电子、计算机产品耗电电流所产生谐波电流，也视为欲改善的项目。

一般电子、计算机产品的电源，除使用电池外，均来自市电，由于其电源之电路结构为使用二极管整流、滤波后再经电流转换电路，如图一所示，因而造成虽然输入电压波形为正弦波，但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的现象，所以形成谐波电流及功率因素偏低（一般为0.6～0.7）的结果。

图一：全桥式二极体整流器电路及其电压电流波形

上述的结果与理想的无谐波电流（功率因素为1.0）有明显的差异，导致用电效率的降低，如表一内，一般电源供应器从1440VA容量之市电中其功率因素为0.65，到负载可用之功率为702W，但具有PFC能力的电源供应器，其输入功率因素可达0.99，到负载可用之功率为1015W。另外欧洲CEMARK已明文要求超过300W（日后还要降低）耗电量的产品，必须符合其谐波电流限制之要求，也就是需提高功率因素（约至0.95以上）才能符合CE要求，也才能在欧洲销售。目前除欧洲对外，其余国家亦正研拟将这些要求列入法规中，因此要求降低电源电流谐波，提高功率因素已是全球的环保趋势。

表一是以传统的整流滤波电路与PFC校正电路的电源供应器之比较，在一个传统的15A、120V市电电路中，UL规定在15A断路器之容量下其连续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，于考虑一般的能源转换效率及差劲的功率因素后，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前端电路之电源供应器，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，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，对于日益重视环保的趋势下，确有其意义。

二、因应之道

传统的电机产品，如马达等电感性产品，其功率因素之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的负载，其电流波形不像电感性负载，仍为正弦波，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。

实务上，对于整流性负载之电子、计算机产品，为提高功率因素，可分为被动式及主动式功率因素校正器两种方式。被动式系使用电感器(如图二)、电容器(如图三)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，因此甚少采用。图二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然变化，所以输入电流的波形会比较平滑。图三则是利用部份平坦的电路架构，来改善功率因素。其原理乃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。

图二：被动式滤波电感之功率因素修正电路图三：加入部份平坦电容的功率因素修正电路

主动式功率因素校正器系采用主动之件（控制电路及功率半导体开关）如图四所示。

其基本工作原理为调整输入电流之波形与其输入电压波形相同，如此便可达到功率因素为1的目标，目前已有多芯片厂商提供PFC控制IC，仅要外加功率晶体管，电感器等少数外部零件，便可组成一个主动式功率因素调整器，如图四(b)BOOST结构功因素调整器为升压型式，即输入电压范围可从90Vdc到264V不需另外开关切换选择范围，成为一全球电压通用的型式，这是功率因素调整器的一项重要附加价值，而功率因素调整器的输出约为380Vdc内含10Vp-p及(50/60HZ涟波及高频噪声)的成份信号。

内含PFC的电源供应器如下图五及图六所示。

　　图五PFC方块图    图六PFC电路

验证内含PFC的电源供应器（如图五）时，需对其输入与输出做多项之测试。其中包括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。输出负载对功率因素调整率：为负载电流变化时，对输入的功率因素变化率。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。以上输入电压之变化可用自耦变压器或交流电源来改变输入电压以便模拟实际上可能的变化，例如90~115~132或180~230~264或90~115~264或90~230~264等各种电压之组合。而输入功率之测量便需要精密功率表，如博计的4010/4011精密功率表，此表必须在90V~264V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直流电子负载来仿真各种不同负载的状况。以上系使用电源供应器整体测试，来验证PFC的效能，是属于较间接的验证方式，因为负载变化时，是经由图五(b)的Switchingregulator，若Switchingregulator有异常现象状况时，对图五(a)项PFC的验证可能就有偏差了！此测试方法对生产中的成品测试，检验较适合。

所以下面介绍另一个测试方法对图六的PFC部份单独做验证，此时仅输出的负载，改由500V高压电子负载来仿真图五(b)的Switchingregulator及DCoutputCurrent，因此可以很确实地对PFC调整器做输入电压，输出负载及综合输入功率调整率之验证。此时仅使用高压电子负载如3314D、3254、3255、3500等产品便可直接做测试与验证PFC的效能。此测试方法于工程开发时对PFC之测试与验证，及生产中对PFC半成品测试均十分适合。

四、测试仪器

海洋仪器一直致力于电子测试测量领域的发展，对于PFC测试所需的仪器亦提供最佳的整体解决方案：精密数字化功率表与高压500V电子负载。精密数字化功率表4010/4011系采用对电压电流波形同时数字取样，再依据RMS、Watt及PF的原理，运用微处理器计算出精确度高达0.1%的RMS电压、电流、瓦特及误差低于+/-0.002digit的功率因素，具有在宽广电压与电流范围下的高精确度及一致性，这是目前市场上测量最精确且价格合理的精密功率表。

高压500V电子负载3314D、3254、3255，为博计专为PFC输出测试所设计的500V高压电子负载，其中3314D专供300W以下，3254专供1200W以下，而3255为专供1800W以下的负载测试。上述高压电子负载具定电流及定电阻模式，具有电压、电流、功率及伏安电表，让您很容易读出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一比，便可计算出PFC的效率，另有3500则供5KW以下之测试用。

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