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功率因数校正（PFC）电路的重要性

功率因数的意义

功率因数（Power Factor, PF）是衡量电气设备有效使用电能的指标，定义为实功功率P与视在功率S的比值，即 PF=PS 。在纯阻性负载下，电压和电流同相位，PF 值为 1；而在容性或感性负载下，电压和电流存在相位差，PF 值小于 1，导致无功功率增加，电能利用率降低。

功率因数低的问题

电能浪费，低功率因数导致大量电能被浪费在无功功率上，增加电网负担。电网效率降低，电力公司需要提供更多的视在功率，导致输电损耗增加。环境压力，为满足电力需求，需建设更多电厂，增加环境负担。

功率因数校正（PFC）电路的作用

PFC 电路通过调整电流波形，使其与电压波形同相位，从而提高功率因数。

提高电能利用率，减少无功功率，提高实功功率。降低电网负担，减少输电损耗，提高电网效率。环保效益，减少电厂建设，降低环境污染。

PFC 电路的类型，无源 PFC，使用电感和电容等无源元件进行校正，成本低但效果有限。有源 PFC，使用开关电源技术，动态调整电流波形，效果显著但成本较高。

实施 PFC 的挑战，成本增加，PFC 电路增加制造成本，可能转嫁给消费者。

功率因数的意义

功率因数的意义主要体现在电力系统的能效利用和成本控制方面。

衡量电力利用效率

功率因数（Power Factor，简称PF）是指交流电路中有功功率（P）与视在功率（S）之比，即PF=P/S=Cosθ，其中θ是电压与电流的相位差。它反映了电源输出的电能被有效利用的程度。当功率因数接近1时，表示电能的利用效率高，无功功率小；反之，功率因数低则意味着大量的电能被转化为无功功率，在电力传输和分配过程中造成了不必要的损耗。

减少无功功率损耗

在电力系统中，无功功率虽然不直接做功，但它却占据了电力线的功率容量，导致电力线需要承载更大的电流，从而增加了线路损耗和变压器损耗。提高功率因数可以减少无功功率的流动，降低这些损耗，提高电力系统的能效。

降低电力设施成本

发电厂和供电局：对于发电厂和供电局来说，提高功率因数意味着可以减少发电量和布线成本。因为当功率因数提高时，同样的用电量需要的电力设施容量减小，可以降低建设和维护成本。

用电户：对于用电户来说，虽然功率因数的提升并不直接影响电费的计算电费基于有功功率，但高功率因数的设备意味着更高效的能源利用。长期来看，这有助于减少电费支出，并提升电力系统的稳定性。

功率因数校正器的应用

为了满足对功率因数的要求，电力公司和设备制造商通常采用功率因数校正器PFC来提高设备的功率因数。功率因数校正器的主要作用是让电压与电流的相位相同且使负载近似于电阻性。根据使用元件的不同，功率因数校正器可分为被动式和主动式两种。

被动式功率因数校正器：其结构相对简单，主要由电感、电容等元件组成。但被动式功率因数校正器的功率因数提升有限，通常只能达到0.7~0.8，且存在重量大、易产生噪音等缺点。

主动式功率因数校正器：其结构更为复杂，但功率因数提升效果显著，通常可达98%以上。主动式功率因数校正器具有体积小、重量轻、效率高等优点，是现代电子设备中常用的功率因数校正方式。

功率因数修正器的主要作用是让电压与电流的相位相同且使负载近似于电阻性，因此在电路设计上有很多种方法。其中依使用元件来分类，可分为被动式和主动式功因修正器两种。被动式功因修正器在最好状况下 PF 值也只能达到 70%，在严格的功因要求规范下并不适用。若要在全电压范围内(90V~265Vac)且轻重载情况下都能达到 80%以上 PF 值，则主动式功因修正器是必要的选择。主动式功因修正器多为升压式电路结构(Boost Topology)，如下图所示。

下图为电感作用波形，输入电压要求为 90V~265Vac，在 Vd 点则为 127V~375V 直流电压， 由升压电路把输出电压 Vo 升到 400V 的直流，其工作过程如下：

当 Q 导通时，电感上的电压 VL=Vd,此时 Vd、L、Q 形成回路，Vd 对电感 L 充电，回路如图一中虚线所示，此时电感电流ζL 循着同一斜率上升，到 Q 截止为止，工作周期（DT）结束。

 当 Q 截止时，电感电压反相且加上 Vd 经由二极管 D 对输出端开始放电，此时电容 C 是成充电状态，且RL 维持 Vo 输出，其中 Vo 之大小为输入电压 Vd 加上电感电压（-VL）的值（由于电感电压反相，-VL 反而是正值），其回路如图一中灰线所示，直到 Q 再度导通为止（即（1-D）T 时间段结束）。

如果要图一中的升压型电路具有功率因数修正功能的话，则 Q 的控制信号必须来自具有功因修正功能的 IC（PFC IC），并要取电压回路和电流回路来做反馈控制，把这些信号回传到 PFC IC 来控制 Q 的导通与截止，进而达到电流波形整形的目的。

PFC IC 分为两种，一种是非连续电流模式功因修正器（DCM PFC），适用于较低功率需求的功因修正。欧洲的能源规范定为 70W 以上的电源供应器必须加装 PFC 电路，DCM PFC 一般使用在 200W 以下。另外一种是连续电流模式功因修正器（CCM PFC），一般使用在 200W~9KW。

DCM PFC的控制方式

无论 CCM 或 DCM 的 PFC，其电路结构都是升压电路，其中最大的区别在于控制模式，DCM PFC 一般使用峰对峰值电流控制模式如下图所示。此种模式主要是当 AC 输入后，经桥式整流而成的类似 m 形的电压波形，经 R5、R6 分压后，再和一个经由误差放大器（Error Amplifer）放大后的输出信号 Vc 相乘。此举是为了给流经 Rs 的峰值电流一个参考比较的电压 Vm，并且这个电压会随着输入和输出的电压大小而作调整，其中输出电压经由电阻 R3 和 R4 分压后， 经由误差放大器负反馈至乘法器输入端，可使当负载改变时，输出电压仍能保持稳定。

其中较需注意的是，误差放大器在作闭环回路补偿时，其增益频宽要比六分之一倍的市电频率还要低，以避免干扰PFC 电路的主要功能，所以 C1 和 C2 的值通常都不小，约为 uF 级的电容。当乘法器输出 Vm 时，同一时刻的电压波形仍是一个类似 m 形的波形，只是它是已被整理过的参考电压波形，进而输入比较器的正输入端，而与比较器的负输入端 Q 的 S 极电流的波形（即压降在 Rs 上的电压波形 Vs）作比较， 来控制 Q 的开与关，其波形如图。 

电路工作原理

充电阶段：

当开关元件Q导通时，输入的直流高压Vd对电感L充电，电感电流ζL上升。

同时，电阻Rs上的电压Vs也上升，直到Vs等于Vm（一个预设的电压阈值）时，比较器的输出发生变化。

比较器与RS触发器的作用：

当Vs=Vm时，比较器的反相输入端电压高于正相输入端，导致RS触发器的R输入端为低电位，S端为高电位。

这使得触发器输出为高电位，进而使另一个开关元件Qd导通，而Q的栅极电压Vg变为低电位，Q截止。

放电阶段：

当Q截止时，电感L上的电压反相，与输入电压Vd相加，使二极管D导通。

此时，电感L开始对输出RL和电容C5放电，负载RL保持在高电位，而电容C5充电。

电感电流ζL下降，直到为0。

RS触发器的翻转与新的充电周期：

当电感电流ζL为0时，RS触发器的S端输入低电平，R端为高电位。

这导致触发器的Q输出为低电位，Qd截止，而Q的栅极电压VGS变为高电位，Q再次导通。

新的充电周期开始，电感L再次被充电，电感电流ζL上升。

峰值电流控制模式：

这个过程不断重复，形成峰值电流控制模式。

电感电流ζL的波形由许多大小三角波组成，不是正弦波。

因此，电路中需要加装电容C3来滤除电感电流中的高频成分，得到完整的正弦波成分。

CCM PFC的控制方式

对于 CCM 的PFC 而言，常用的控制模式是所谓的平均电流控制模式，其控制模式电路：

图中的 Vin 为直流电压而 Ip 为直流电流。其各点的电压及电流波形。

PWM比较器的工作原理

PWM比较器通常有两个输入端：同相输入端（Vs）和反相输入端（Vc）。比较器的工作方式是比较这两个输入端的电压：

当Vs大于Vc时，比较器输出低电位。

当Vs小于Vc时，比较器输出高电位。

电路的工作过程

电路启动阶段：

电路刚开始运作时，假设Vs小于Vc，此时比较器输出高电位，导致开关元件Q导通。

电感充电阶段（a到b段）：

当Q导通时，输入电压Vin通过Q对电感L充电，电感电流ζL上升。

这个阶段对应于电流波形的上升部分。

电感放电阶段（b到c段）：

当Vs大于Vc时，比较器输出由高电位变成低电位，导致Q截止。

此时，电感L上的电压反向，通过二极管D向电容C充电，并同时供应电压给负载。

电感L处于放电状态，电感电流ζL下降。

这个阶段对应于电流波形的下降部分。

Q 导通阶段（a 到 b 段）：

当 Vs < Vc 时，PWM 比较器输出高电位，Q 导通。

输入电压 Vin 通过 Q 向电感 L 充电，电感电流 ζ L  上升。

能量储存在电感 L 中。

Q 截止阶段（b 到 c 段）：

当 Vs > Vc 时，PWM 比较器输出低电位，Q 截止。

电感 L 的反向电压通过二极管 D 向电容 C 充电，并为负载供电。

电感 L 放电，电感电流 ζ L  下降。

循环过程：

当 Vs < Vc 时，Q 再次导通，重复上述过程。

通过 PWM 比较器控制 Q 的导通和关断，实现电流波形的调整。

循环往复：

当Vs再次小于Vc时，比较器又输出高电位，使Q再度导通，电路进入下一个充电-放电循环。

这个过程不断重复，形成稳定的PWM波形。

PWM波形的应用

通过调整PWM波形的占空比（即开关元件Q导通的时间比例），可以控制电感L和电容C构成的滤波电路的输出电压，进而控制负载电压。这种方法被广泛应用于各种电力电子设备中，开关电源、电机驱动器等。