功率因数校正器(PFC)在电源应用中的重要作用

传统的离线开关模式功率转换器会产生带高谐波含量的非正弦输入电流。这会给电源线、断路开关和电力设施带来压力。此外，谐波还会影响连接同一电源线的其他电子设备。在应用于开关模式电源之前对输入电流整形的有源功率因数校正器(PFC)可以解决这个问题。

自从欧盟建立了针对电子设备的EN61000-3-2标准和A14修正案以来，PFC变得更为重要。该标准规定允许ac线电流谐波。规定视输入功率、产品类型和特定的谐波而有所不同。原始设备分类和A14修正案分类列表见下表。

人们最感兴趣的是D类规定，因为它涉及了PC、计算机监视器和电视接收器。其他设备只需满足A类规定。为了了解PFC如何工作，我们首先来看一下功率因数的基本概念。功率包括两部分：实际功率(W)和视在功率(伏安或VA，vars =无功功率，而不是总VA)。当纯正弦波施加于阻性负载和无功负载时，功率因数的矢量关系为：

其中cosθ = 电压与电流之间相位角的余弦值；
Vin = RMS输入电压
Iin = RMS输入电流

无功负载可以是电感性或电容性的，以产生分别具有延迟(正)或超前(负)电压的相位角的电流。如果视在功率相对于实际功率非常高的话，则功率因数趋近于零。但如果视在功率等于实际功率，则相位角为零且功率因数为1。因此，PFC的目标之一是使功率因数尽可能接近于1，以使负载尽可能接近纯电阻性负载。

原始设备分类和A14修正案分类列表

式(1)仅对纯电压和电流正弦波成立。对于非正弦波输入电流，即电源有整流输入时，情况有所不同。要找出原因，请参见图1，该图显示了典型的电源整流输入，以及得到的输入电流和输入电压波形。

图1：该图显示了典型的电源整流输入，以及得到的输入电流和输入电压波形。

这里，整流器和输入电容器使电源产生短脉冲(而不是纯正弦波)的输入电流。仅当输入电压接近其峰值时，电容器才会充电，此时它会产生高峰值电流、高RMS值和约0.6的功率因数。

对典型整流器输入的傅利叶分析显示，在输入电流中主要为奇次谐波(图2)。也有一些偶次谐波，但其振幅相对较低。在带有谐波的非正弦波输入电流的情况下，功率因数包含与相位角相关的位移因数和与波形相关的失真因数。

图2：对典型整流器输入的傅利叶分析显示，在输入电流中主要为奇次谐波。

这样会产生如下关系：

其中，
PF = 功率因素
Irms(1) = 电流的基础谐波分量
Irms = 电流的总RMS值
Kd = 失真因数
Kθ ?= 位移因数

因此，对于开关模式电源产生的非正弦电流波形，PFC必须最大程度地减小输入电流失真，并使输入电流与输入电压同相。
升压转换器PFC

为了制造PFC，升压转换器得到了广泛的采用。来自几家制造商的IC简化了特别针对PFC应用的升压转换器的实现过程。最基本的形式是开关对升压电路进行控制(图3)。闭合开关使电流流入电感器。断开开关使电流通过二极管输出。由于电容通过电感电流充电，多次开关循环使电容器达到输出电容电压。得到的输出电压比输入电压更高。

图3：最基本的形式是开关对升压电路进行控制。

在更具体的电路(图4)中，PFC IC提供内部控制电路，而且一个外部功率MOSFET替代了图3中的机械开关。该电路在升压转换器的输出端(而不是在二极管整流器之后)采用了大能量储能电容器。对升压转换器的每个高频开关周期进行平均时，电感器电流(它对该电容器充电)受到控制，从而与低频输入电压波形成比例。

图4：在更具体的电路中，PFC IC提供内部控制电路，而且一个外部功率MOSFET替代了图3中的机械开关。

升压转换器的输入电压范围在零到ac输入的峰值之间。为了正常工作，升压转换器必须同时满足：

升压转换器输出电压必须高于电源电压的峰值。通常采用385V直流电，允许连接270V ac rms的高电源线； 任何情况下从电源线汲取的电流必须与电压成正比。

升压转换器电压高于输入电压，可使转换器以ac电源电压的相同相位汲取电流，最大程度地减少了谐波。

这种升压转换器配置成为功率因数修正的SMPS或开关模式电源(图4)的前端。由于它只提供PFC功能，升压转换器被认为是一种独立PFC电路。

临界传导模式

临界传导模式PFC IC工作于在连续和非连续模式之间。要了解临界传导模式，可以比较一下返驰式转换器等开关模式设计中非连续模式与连续模式之间的不同。

在非连续模式下，开关开启时变压器的磁化电感从零电流开始充电。然后，在开关关闭之后放电至零。然后，在开关重新开启前，在截止时间内保持为零电流。在连续模式下，磁化电感不会完全放电，所以每次开关开启时，它从某一个正电流值开始充电。

在临界传导模式下，截止时间为零，且仅当电感器电流达到零时开关才开启。Ac线电流的均值为一连续波形，而峰值开关电流为平均输入电流的两倍。在这种模式下，工作频率随导通时间恒定而变化。