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PFC电源技术实验室的研究 1主动PFC电源的开发背景 1.1问题的提出 80PLUS是一项针对电源所做的新标准,它的核心是加载主动式PFC电路模块用于提升计算机设备的使用效率。保证电源设备在22%、48%,以及满载时有大于84%的转换效率。简单的说,就是在不同的负载程度,能够减少多余电能转换成的废热,来降低电源的使用成本。在中国这笔费用是由各个电源生产商向国家节能减排部门进行申报后获得的。该标准最早是由美国能源局制定的效率标准,针对桌面型台式机、高性能刀片服务器及工作站所制定的节能规范,希望借此来提高计算机内部电源设备的效率与功率因数比值,减少EMI谐波危害,降低设备的发热量,以达到节能目的。图1显示转换效率从低到高分别是80PLUS的6个标准:白牌(标准版)、铜牌、银牌、金牌、铂金、钛金从上到下依次提升。PFC效率因子数值越高表示这台电源越优秀。相比普通的被动PFC电源,80PLUS标准有许多优点。 1.2主动PFC电路设计能够延长的使用寿命 图2显示了被动PFC电源的热功耗模式,根据功率校正决定电源适配器转换效率的关键在于能将百分比之多少的输入转换为输出,由于剩下的电能会转换成废热。废热的产生会增加很大的电源噪音,而风扇需以高转速来带走废热,来保证电源内部不会过热触发报警装置。目前我们所使用的电源风扇都是普通油封轴承,这种轴承的好处就是成本低,便于大面积使用。缺点是寿命短,油一旦消耗完后会产生巨大的摩擦噪音。因此,减少废热、保持低散热需求的好处即是增加电脑电源的耐用度。 1.3主动PFC电路设计能够减少热辐射功耗 例如,一个转换效率65%的额定600瓦的电源设备,在100%负载时会消耗600瓦的电力,剩下的180瓦则会转换成多余的热能。如果该电源供应器转换效率为80%,在90%负载时只需要540瓦的电力供应,那么就只有60瓦的电力转换成热能。所以如何减少这些热能非常重要,由于目前科学技术的限制,人类还无法去收集这些多余热能进行储存。因此,减少这些无用的电子消耗显得非常重要。采用温控装置的电源风扇就不必在高转数情况下进行工作,这将有效的降低电源噪音和电源内部的发热量。让电源内部的元器件保持在正常温度系数范围内进行工作。 2主动PFC技术的实用价值 2.1有源PFC电路模块的重要性 节能减排一直是很多单位关注的,80PLUS电源能够做到为机房节能。这得益于80PLUS标准电源的高功率因数(PFC值)。PFC的全英文名为“PowerFactorCorrection”,意思是“功率因数调整值”,用来表示有效功率与总耗电量(视为额定功率)之间的比值。电网供给电源的能量并不能100%被电源所利用,在电源和电网之间会存在不小的电能损失部分。这个时候PFC就诞生了,目前的PFC电源分为主动式(active)和被动式(pas-sive)两种。被动PFC电路的功率因数一般只有70-78%,有的甚至连70%都达不到。而且电源非常沉重,不利于运输。而主动PFC的功率因素通常保持在90%以上,甚至达到95%。由于不需要庞大的电感,因此重量得到了大幅度的减轻。 2.2宽频电压输出 主动PFC还有另外一项重要的附加价值,即它可以适应90Vdc-260Vdc的全范围电压,可以全球通用,特别是对于电压不稳的地区有重要的使用价值。在我国的贫困地区,及地震灾区,当地电力部门无法保障220V稳定电压的环境下,使用主动PFC的设备能够有效缓解电力异常波动造成的瞬时断电设备重启问题。在边远地区使用主动PFC设计的电源系统能够有效保障学校、医院重要部门的不间断运作。 2.3单位耗电量的下降 注意:为了满足能源之心(ENERGYSTAR)的规范指标以及国家降低碳排放的强制要求,即功率因数越大,对节约电力能源越有好处。主动PFC电源为了保证更高的转换效率,在产品的设计与用料上,都较传统电源要复杂和考究得多,这带来了生产成本的上升。但考虑到在工业用电方面的开支减少,特别是现在很多大学机房机器数量都在数千台以上,是一些专业实验室,常年24小时开机进行数据运算实验。如果按照一年一台PC即可节省200元人民币,这笔费用扩建机房升级设备都绰绰有余,从长远利益来看,未来终端用户应该多考虑带有主动PFC模块的电源。 3主动PFC技术的实现 图3显示的为PFC升压预转换器的构成,这里需要安置一个线圈,通过一个二极管和一个PF开关。蓝色箭头所指的波形电感需要一枚加载PFC预调节器而设计的功率因数校正控制器电路。这里我们使用ONSEMI半导体(MC33368和MC33260),均工作在临界导电模式中,而NCP1650则工作于连续导电模式。通常将临界导电模式用于300W以下的功率因数控制电路。而CCM连续导通模式用于400W以上的功率因子电路模块。随着机房在教学上开设了matlab,大