打造照明系統不只有一種方法,而好的設計可以立即實現更高的功效和更低的物料清單成本。為了達到更高的效率,目前照明產業正由240V轉向277V,因此現在是為現有產品線導入功率因數校正(PFC)的好時機。既然這些系統無論如何都需要升級,OEM廠商可以充分利用PFC帶來的許多好處。

對PFC的需求源自於朝向電感性負載(inductive loads)的轉移。傳統照明應用使用電阻性負載,例如白熾燈;然而電阻性負載有很大的缺點,即這些負載向系統導入的電阻會發熱,這意味著功率損失和效率的下降。為了消除這些損失,照明產業不斷地轉向可提供更高效率的電電感性負載,例如日光燈。圖1顯示的是一個基於電感性負載的照明系統。

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圖 1 在電感性負載兩端增加了一個並聯電容。



功率因數校正

一個遺憾的事實是,許多OEM廠商以嚴重降低效率的方式實現電感性負載;在許多情況下,他們不明白這些問題其實可以用功率因數校正方法輕鬆且低成本地解決。在本質上,電感性負載會使電壓和電流彼此不同步;具體來說,就是負載導入的感抗(inductive reactance)與系統阻抗不同步。這種相位差會降低系統的效率。

功率因數(PF)是系統之有功功率(real power)與其視在功率(apparent power)的比值;視在功率是你對系統期望的功率,有功功率是你實際得到的功率。根據具體應用,一個不同步系統的效率可能降低至60%。

功率因數校正的目標是儘量減少電壓與電流之間的相位差。容抗(capacitive reactance)可以用來將感抗(inductive reactance)拉回到與系統阻抗同步;所需的只有具備合適參數的電容(即具有足夠高的額定功率,與感抗的相位差為180度,參考圖1)。在照明系統中實現PFC可以獲得許多好處:

__˙提高效率__:系統中增加PFC可以將效率提高至80%到95%,當然同樣取決於具體應用;由於電費越來越高,這種基於PFC的照明系統對最終使用者來說具有很大的吸引力。

__˙容易實現__:只需一個電容就可以為照明系統導入PFC;注意,還需要浪湧電流(inrush current)限制器來防止電容充電時的初始電流損壞系統(參考下面的浪湧電流章節)。

__˙降低電源供應器成本__:具有高功率因數的系統可以使用更小的電源供應器完成與低功率因數系統相同的工作;承載較少電流意味著更小和更便宜的發電機、導體、變壓器和開關,進而實現更小巧的外形尺寸和節省更多的物料清單成本。

__˙更高的可靠性__:更高效率的系統耗散的熱量更少,因此更容易在可接受的溫度範圍內保持系統的可靠運作。

__˙差異化特性__:無論你的設計是一個獨立產品還是要整合到更大系統,更高的功效總是能提供比其他較低效率系統更高的價值。

__˙更低的營運成本__:對於大規模照明應用來說,透過PFC實現更高的效率可以轉換為節省更多的電費帳單。

__˙產業發展趨勢__:功率因數校正在歐洲、中國和日本已經強制執行十多年了。儘管在美國普及速度很慢,但強制要求增加PFC的應用也越來越多,最顯著的就是照明系統。顯然PFC是有意義的,今天不要求PFC的應用最終都會強制增加PFC;將PFC作為未來要求考慮的公司將能夠充分利用PFC的優勢,並將它作為今天的一種差異化功能。不能提供PFC的製造商將很快發現他們自己變得無法參與競爭。

浪湧電流

當PFC電容初始充電時,它會吸收系統可允許的最大電流;這個歷時簡短的浪湧(突波)電流明顯高於系統的運作電流,可能會損壞系統中的其他電路。為了防止這種破壞,需要採取措施來限制這種浪湧電流。

浪湧限制電路的核心是高阻。在電路中放置一個電阻就能限制電容可以吸取多大電流。然而,一旦電容充好電後,如果這個電阻仍然留在電路中,它會繼續造成熱量損失,進而降低總體效率。一旦浪湧電流被限制住後,一般會用一個開關來旁路掉這個電阻。

解決浪湧電流的最有效方法是使用熱敏電阻(thermistor);熱敏電阻是一種特殊類型的可變電阻,它的電阻與溫度有關。舉例來說,一個負溫度係數(NTC)的熱敏電阻在其溫度上升時,電阻值會有大幅度且可預測的減少。

為了限制浪湧電流,可以將NTC熱敏電阻放在電源和PFC電容與電感負載之間(如圖2)。在充電時,NTC熱敏電阻處於低溫狀態,因此具有很大的電阻;在限制流向電容的電流同時,這個大電阻還會發熱,從而提高熱敏電阻的溫度。

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圖 2 增加 NTC熱敏電阻以限制浪湧電流。



隨著NTC熱敏電阻的自發熱,它的電阻值將很快下降;當浪湧電流趨於平穩時,NTC熱敏電阻的溫度已經足夠將電阻降至最小,此時流經熱敏電阻的電流已經不會負面影響系統運作或效率。如此一來,NTC熱敏電阻不僅能有效地提供限制浪湧電流所需的電阻值,而且不再需要諸如旁路開關(bypass switch)這樣的額外電路。

NTC熱敏電阻是一種很可靠的元件,其有效工作溫度範圍是-50~+250℃。適合照明應用的NTC熱敏電阻價格範圍從0.15~0.9美元,而具有足夠高等級功率、可處理照明鎮流器中大電流的功率電阻價格範圍,則是從0.5美元起跳至1美元以上。功率電阻的成本還需要考慮在限制完浪湧電流後,旁路電阻所需的電路成本。

功率因數校正的實現難以置信地簡單,而且成本很低;就拿獲得的效率提升來說,PFC也是許多電感性照明應用亟需添加的功能,即使不強制要求PFC的應用也是如此。借助負溫度係數熱敏電阻,OEM廠商可以保護系統免受與PFC有關的浪湧電流傷害,而且不需要複雜的昂貴的旁路電路。