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本文主要是關于功率因數的相關介紹，并著重對功率因數和主動PFC電源的原理及構造進行了詳盡的闡述。
功率因數
功率因數（Power Factor）的大小與電路的負荷性質有關， 如白熾燈泡、電阻爐等電阻負荷的功率因數為1，一般具有電感性負載的電路功率因數都小于1。功率因數是電力系統的一個重要的技術數據。功率因數是衡量電氣設備效率高低的一個系數。功率因數低，說明電路用于交變磁場轉換的無功功率大， 從而降低了設備的利用率，增加了線路供電損失。在交流電路中，電壓與電流之間的相位差（Φ）的余弦叫做功率因數，用符號cosΦ表示，在數值上，功率因數是有功功率和視在功率的比值，即cosΦ=P/S.
最基本分析
拿設備作舉例。例如：設備功率為100個單位，也就是說，有100個單位的功率輸送到設備中。然而，因大部分電器系統存在固有的無功損耗，只能使用70個單位的功率。很不幸，雖然僅僅使用70個單位，卻要付100個單位的費用。（使用了70個單位的有功功率，你付的就是70個單位的消耗）在這個例子中，功率因數是0.7 （如果大部分設備的功率因數小于0.9時，將被罰款），這種無功損耗主要存在于電機設備中（如鼓風機、抽水機、壓縮機等），又叫感性負載。功率因數是馬達效能的計量標準。
基本分析
每種電機系統均消耗兩大功率，分別是真正的有功（單位：瓦）及電抗性的無功（單位：乏）。功率因數是有用功與總功率間的比值。功率因數越高，有用功與總功率間的比值就越大，系統運行則更有效率。
高級分析
在感性負載電路中，電流波形峰值在電壓波形峰值之后發生。兩種波形峰值的分隔可用功率因數表示。功率因數越低，兩個波形峰值則分隔越大。
非線性負載
電力系統上常見的非線性負載包括整流器（用在電源供應器中），或是像螢光燈、電焊機或電弧爐電弧放電的設備。由于這些系統的電流會因為元件的切換而中斷，電流會含有諧波成份，其頻率為電源系統的整數倍數。畸變功率因子（Distortion Power Factor）可用來量度電流的諧波畸變對其平均功率的影響。
電腦電源供應器的弦波電壓及非弦波電流，其畸變功率因子為0.75。
非弦波成份
非線性負載將電流波形由正弦波扭曲成其他波形。非線性負載的輸入電流中除了原來電源的頻率（基頻）外，其中也會有許多高頻的諧波電流成份。由電容器及電感器等線性元件組成的濾波器可以降低諧波電流由負載端進入電源系統中。
線性元件組成的電路若電壓為一正弦波，其電流也是相同頻率的弦波。其功率因子只是因為電壓和電流之間的相位差，也可以稱為位移功率因子（Displacement Power Factor）。若電流或電壓非弦波，視在功率包括所有諧波成份時，功率因子中不但有電壓和電流之間的相位差導致的位移功率因子，也會有對應諧波成份的畸變功率因子。
一般的三用電表無法量測非線性負載的輸入電流。三用電表會量測整流后波形的平均值。若使用量測均方根（RMS）值的電表，可以量測實際電流及電壓的均方根值，因此也可以計算視在功率。若要量測有功功率或無功功率，需使用針對非正弦波電流設計的瓦特表。
畸變功率因子
畸變功率因子（Distortion Power Factor）量度電流的諧波畸變對其平均功率的影響。
為負載電流的總諧波畸變。上述定義假設電壓仍維持正弦波，沒有畸變，此假設接近一般實際應用的情形。為電流的基頻成份，而為總電流，二者都以均方根值表示。
若將畸變功率因子乘以位移功率因子（Displacement Power Factor，簡稱DPF），即可得到總功率因子，也可稱為真功率因子，或直接簡稱為功率因子。
開關電源是一種常見的非線性負載，世界上至少有數百萬臺個人電腦中有開關電源，功率輸出從數瓦到一千瓦。早期廉價的開關電源中有一個全波整流器，整流器只有在電源端電壓超過內部電容器的電壓時才會導通，因此其峰值因子很高，畸變功率因子很低，而且在三相的電流系統中，其中線性電流不會為零，可能會有中性線負載過大的問題［6］。
典型的開關電源首先會用整流二極管產生直流電壓，再由直流電壓產生輸出電壓。由于整流器為非線性元件，其輸入電流會有許多的高次諧波成份。此情形會造成電力公司的困擾，因為無法靠加入電容器及電感器的方式補償高頻的諧波成份。因此一些地區已開始立法要求所有功率大于一定值的電源供應器需要有功率因子修正機能。
歐盟為了提升功率因子，有設置諧波的標準。若要符合現行歐盟標準EN61000-3-2，所有輸出功率大于75W的開關電源至少需要有被動功率因子修正（passive PFC）機能。而80 PLUS開關電源認證要求功率因子至少需到達0.9的水平［7］。
改善
電網中的電力負荷如電動機、變壓器、日光燈及電弧爐等，大多屬于電感性負荷，這些電感性的設備在運行過程中不僅需要向電力系統吸收有功功率，還同時吸收無功功率。因此在電網中安裝并聯電容器無功補償設備后，將可以提供補償感性負荷所消耗的無功功率，減少了電網電源側向感性負荷提供及由線路輸送的無功功率。由于減少了無功功率在電網中的流動，因此可以降低輸配電線路中變壓器及母線因輸送無功功率造成的電能損耗，這就是無功補償的效益。 無功補償的主要目的就是提升補償系統的功率因數。因為供電局發出來的電是以kVA或者MVA來計算的，但是收費卻是以kW，也就是實際所做的有用功來收費，兩者之間有一個無效功率的差值，一般而言就是以kvar為單位的無功功率。大部分的無效功都是電感性，也就是一般所謂的電動機、變壓器、日光燈……，幾乎所有的無效功都是電感性，電容性的非常少見，例如：變頻器就是容性的，在變頻器電源端加入電抗器可提高功率因數。
內容
由于感性、容性或非線性負荷的存在，導致系統存在無功功率，從而導致有功功率不等于視在功率，三者之間關系如下：
S^2=P^2+Q^2
一種有源功率因數校正電路
一種有源功率因數校正電路
??；S為視在功率，P為有功功率，Q為無功功率。三者的單位分別為VA（或kVA），W（或kW），var（或kvar）。
簡單來講，在上面的公式中，如果今天的kvar的值為零的話，kVA就會與kW相等，那么供電局發出來的1kVA的電就等于用戶1kW的消耗，此時成本效益最高，所以功率因數是供電局非常在意的一個系數。用戶如果沒有達到理想的功率因數，相對地就是在消耗供電局的資源，所以這也是為什么功率因數是一個法規的限制。就國內而言功率因數規定是必須介于電感性的0.9～1之間，低于0.9時需要接受處罰。
好處
供電部門為了提高成本效益要求用戶提高功率因數，那提高功率因數對用戶端有什么好處呢？
?、?通過改善功率因數，減少了線路中總電流和供電系統中的電氣元件，如變壓器、電器設備、導線等的容量，因此不但減少了投資費用，而且降低了本身電能的損耗。
?、?良好的功因數值的確保，從而減少供電系統中的電壓損失，可以使負載電壓更穩定，改善電能的質量。
?、?可以增加系統的裕度，挖掘出了發供電設備的潛力。如果系統的功率因數低，那么在既有設備容量不變的情況下，裝設電容器后，可以提高功率因數，增加負載的容量。
舉例而言，將1000kVA變壓器之功率因數從0.8提高到0.98時：
補償前：1000×0.8=800kW
補償后：1000×0.98=980kW
同樣一臺1000kVA的變壓器，功率因數改變后，它就可以多承擔180kW的負載。
④ 減少了用戶的電費支出；透過上述各元件損失的減少及功率因數提高的電費優惠。
此外，有些電力電子設備如整流器、變頻器、開關電源等；可飽和設備如變壓器、電動機、發電機等；電弧設備及電光源設備如電弧爐、日光燈等，這些設備均是主要的諧波源，運行時將產生大量的諧波。諧波對發動機、變壓器、電動機、電容器等所有連接于電網的電器設備都有大小不等的危害，主要表現為產生諧波附加損耗，使得設備過載過熱以及諧波過電壓加速設備的絕緣老化等。
并聯到線路上進行無功補償的電容器對諧波會有放大作用，使得系統電壓及電流的畸變更加嚴重。另外，諧波電流疊加在電容器的基波電流上，會使電容器的電流有效值增加，造成溫度升高，減少電容器的使用壽命。
諧波電流使變壓器的銅損耗增加，引起局部過熱、振動、噪音增大、繞組附加發熱等。
諧波污染也會增加電纜等輸電線路的損耗。而且諧波污染對通訊質量有影響。當電流諧波分量較高時，可能會引起繼電保護的過電壓保護、過電流保護的誤動作。
因此，如果系統量測出諧波含量過高時，除了電容器端需要串聯適宜的調諧（detuned）電抗外，并需針對負載特性專案研討加裝諧波改善裝置。
選擇主動PFC電源的原因
PFC是電腦電源中的一個非常重要的參數，全稱是電腦功率因素校正，簡稱為PFC。
計算機電源負責把交流電（AC）轉成直流電（DC）為主機提供全部電力，因此其能源轉換效率高低是一項非常重要的節能省電指標。電源的能源轉換效率跟標稱功率大小并無必然關系，它是電源在處理AC至DC變壓過程中，能量的剩余比例，而此效率基本取決于電源內部的功率因素校正電路（PFC，Power Factor Correction）。
PFC主要有兩種，一種叫主動式PFC，另一種叫被動式PFC。
主動式PFC，也稱有源PFC。主動式PFC使用主動組件 ［控制線路及功率型開關式組件（power sine conductor On/Off switch），基本運作原理為調整輸入電流波型使其與輸入電壓波形盡可能相似，功率因素校正值可達近乎100%。此外主動式PFC有另一項重要附加價值，即電源供應器輸入電壓范圍可擴增為90Vdc到264Vdc的全域電壓，電源供應器不需要像以往一般需切換電壓。相對地，因為其優異功能，主動式PFC價格也較高。另外消費者還要注意，一般而言很多被動式的設計，在115V的系統上是沒有置入的，因為廠商只作230V的部分，所以需請在115V電壓系統下的消費者，留意此問題，可能多花了錢卻買到在115V下沒有PFC作用的電源供應器。
被動式PFC，不論靜音與否，他們都可以被稱作無源PFC。無源PFC一般采用電感補償方法使交流輸入的基波電流與電壓之間相位差減小來提高功率因數，但無源PFC的功率因數不是很高，只能達到0.7~0.8。靜音型被動PFC相比非靜音型被動PFC，無論是成本上還是制造工藝上要求都比較高。這里還要說明的是，PFC會產生噪聲的原因。從原理上講，我們在上面看到的部分結構上和電感類似，在對電流和電壓補償的過程中，始終進行著充放電的過程，因而產生了磁性，最終會和周邊的金屬元件產生震動進而發出噪音。靜音型PFC相當于兩個非靜音型PFC的疊加，達到震動互相抵消的目的。但是，在消除噪音的手段中，安裝是否得當也是對靜音效果影響較大的因素?！】傮w上來說，非靜音型被動PFC與靜音型被動PFC所能達到的效果大致相當，但都要低于主動式PFC的功因校正效果。
動式PFC優于被動式PFC，因此，選擇節能型的電源必須首選采用主動式PFC電路設計的電源。
主動式PFC提升功率因素值至95%以上，被動式PFC約只能改善至75%。換句話說，主動式PFC比被動式PFC能節約更多的能源。
采用主動式PFC的電源供應器的重量，較用笨重組件的被動式PFC產品要輕巧許多，而產品走向輕薄小是未來3C市場必然趨勢。
主動式PFC的優點：
校正效果遠優于歐洲的 EN 諧波規范，即便未來規格更趨嚴格也都能符合規定。 隨著IC零件需求增加，成本將隨之降低。
較無原料短缺的風險。
較被動式專業的解決方案。
能以較低成本帶來全域電壓的高附加價值。
功率因素接近完美的100%，使電力利用率極佳化，對環保有益。
因應未來CPU發展趨勢，輸出瓦特數（電力）要求將越高，主動式PFC因成本不隨輸出瓦特數增加而上升，故擁有較好競爭力。
被動式PFC的缺點：
當歐洲EN的諧波規范越來越嚴格時，電感量產的質量需提升，而生產難度將提高。
沉重重量增加電源供應器在運輸過程損壞的風險。
原料短缺的風險較高。
如電源內部結構固定的不正確，容易產生震動噪音。
當電源供應器輸出超過300瓦以上，被動式PFC在材料成本及產品性能表現上將越不具競爭力。
PFC作為決定電源轉換效率的重要因素，其主要分為主動PFC與被動PFC。前者帶來的是更高的功率因數但成本也會有很大的增加，后者雖然價格低廉但功率因數也會有所下降。
主動PFC電路本身損耗的電能比起被動PFC電路更高，從而直接降低了電源的轉換效率，因為有更多的電能并沒有被實際負載利用上。PFC電路所調節的功率因數，是給電廠節省了電能，而并沒有真正給用戶節省。
主動PFC的優缺點
主動PFC的優勢是，電壓適應范圍寬，功率因數高。功率因數和轉換效率是兩個不同的指標。功率因數是電路的參數，交流電路中的一個指標，和線路損耗有一定的關系。功率因數的范圍是0~1.0，1.0是最理想的，0在實際電路中其實不存在。供電局對這個指標比較重視，對于一般家用沒有實際意義。轉換效率是關于能量轉換的，直接決定電源的損耗大小。轉換效率的范圍是 0% ~100%，100%是理想的狀態，0%是最差勁的極端。這才是我們應該關心的，轉換效率越低，電源損耗越大，浪費的電越多。功率因數不影響電表走字，0.1和1.0都是一樣的走法。轉換效率要影響電表走字，轉換效率越低，損耗的電能越多，電表也會多走些。高功率因數，是在給供電局省錢。
主動PFC和電源轉換效率并沒有必然聯系。就目前市面上的產品來看，大部分高轉換效率的電源都是主動PFC的，也同時擁有很高的功率因數。之所以目前市場上大多數電源都是主動式PFC，是由于以下幾點原因。
由于低端產品對成本的要求過于嚴格，所以幾乎不可能使用主動PFC設計。而購買這種商品的人同樣不會關心功率因數及轉換效率究竟如何。因此低端電源普遍采用了傳統的電路設計，效率低，功率因數也低。高端電源主要針對電腦玩家和專業場合設計，功率普遍很大，成本可以放寬，本身賣得也很貴。被動PFC在功率超過400W以后，損耗變大，效率變低，體積太大，重量也大。
主動PFC在400W功率以上效率有優勢，雖然價格貴，但是高端用戶不會在乎這一點價格。高端電源通常都不會沿用傳統的電路設計，而是廠家精心研發的先進電路，效率自然提高很多。最終的結果就是：高端電源幾乎全都是主動PFC，功率因數很高，效率也很高。
實際上，主動PFC在低功率時，自身損耗大于被動PFC。畢竟它是一個復雜的電路，工作起來要消耗電能;而被動PFC就是一個電感。不過很少有人讓高端電源工作的低負載下，這個問題也就不明顯了。
主動PFC還有一個最麻煩的缺點：電磁干擾大。為了搞定電磁干擾，EMI濾波電路要加強，電路更加復雜。有些電源在待機時發出高頻噪音，也是因為主動PFC?？偨Y
高端電源（400W或更高），首選主動PFC，在大功率的場合，主動PFC優勢明顯，高端產品成本上不受限制，電路設計優秀，完全可以彌補主動PFC的缺點。高效率高性能的產品誰都喜歡。
低端電源（350W或更低），根據自己的需求選擇，不必苛求主動PFC，在成本受限的情況下，主動PFC的缺點開始暴露，電磁干擾，高頻噪音。在300W這個等級，主動PFC已經完全沒有優勢了。
結語
關于功率因數和主動PFC電源的相關介紹就到這了，如有不足之處歡迎指正。
工商網監
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