PFC的相關介紹以及常見電流控制方法

01 PFC的相關介紹

功率因數定義為設備能夠傳輸到輸出端的能量與其從輸入電源處獲取的總能量之比。

功率因數低主要有兩個原因：

位移：當電路的電壓和電流波形異相時會產生位移，通常是由電感或電容等電抗元件引起的。

失真：波的原始形狀發生改變，通常是由整流器等非線性電路引起的。這些非線性波包含很多諧波含量，會使電網中的電壓失真。 ? ?

功率因數校正（PFC）是一系列嘗試提高設備功率因數的方法。 解決位移問題，通常采用外部無功元件來補償電路的總無功功率。

解決失真問題有兩種方法：

無源功率因數校正（PFC）：使用無源濾波器濾除諧波以提高功率因數。這種方法適用于低功率應用，在高功率應用中，其效果遠遠不夠。

有源功率因數校正（PFC）：使用開關變換器調制失真波，以將其整形為正弦波。整形后的信號中存在的唯一諧波位于開關頻率處，因此很容易濾除。有源功率因數校正被認為是最好的功率因數校正方法，但會增加設計的復雜性。

02 PFC 分類

1) 無源PFC

無源PFC一般分 “電感補償式” 和 “填谷電路式(Valley Fill Circuit)”

“電感補償式”是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，“電感補償式”包括靜音式和非靜音式?！半姼醒a償式”的功率因數只能達到0.7～0.8，它一般在高壓濾波電容附近。

“填谷電路式”屬于一種新型無源功率因數校正電路，其特點是利用整流橋后面的填谷電路來大幅度增加整流管的導通角，通過填平谷點，使輸入電流從尖峰脈沖變為接近于正弦波的波形，將功率因數提高到0.9左右，顯著降低總諧波失真。

2) 主動式/有源式(Active PFC)

這種方法可以改變電流波形的形狀，使其跟隨電壓。這樣，諧波被移到更高的頻率上，因而更容易被濾除。使用最廣泛的有源功率因數校正電路是升壓變換器。它與變壓器類似，可以升高直流電壓，同時降低電流。最簡單的升壓變換器由電感、晶體管和二極管組成。

根據電流的導通模式，APFC可以分成3種模式：CCM，CRM(BCM)，DCM。

① 連續導通模式(Continuous Conduction Mode, CCM)

在連續導通模式下，一直會有電流流過電感，因此MOSFET需要在電感電流變成0之前開通。通常來講，CCM會工作在一個固定的頻率下，以控制AC輸入電流呈正弦波。和其他模式相比，CCM的優點是能夠降低電感電流的紋波。其缺點是，當MOSFET開通時，濾波電容的電壓會反向加在二極管上，由于正向導通時的少數載流子們依舊聚集在PN結兩側，在這個反向電壓的作用下少數載流子會發生漂移運動，二極管會形成較大的反向電流。這個反向電流再加上電感電流會一起流過MOSFET，因此MOSFET會產生較大的開通損失(turn-on loss)。為了減少這種開通損失，建議選用SiC肖特基二極管(Schottky Barrier Diode, SBD)，因為肖特基二極管的反向恢復時間較短。該種模式一般應用在 250W～2000W 的設備上。

②臨界導通模式(Critical Conduction Mode, CRM/Boundary Conduction Mode, BCM)

在臨界導通模式下，MOSFET會在電感電流降到0時開通，因此MOSFET的開通損失較小。CRM需要監測電路輸出電壓，然后根據電壓調整MOSFET脈沖寬度。當輸出電壓過高時，會減小MOSFET脈沖寬度；當輸出電壓過低時，會增加MOSFET脈沖寬度。所以諧振頻率也不會固定，因為需要根據輸出電壓調整。

③ 不連續導通模式(Discontinuous Conduction Mode, DCM)

在不連續導通模式下，每個周期內都存在電流為0的時期。與其他兩種模式相比，DCM的峰值電流較大，MOSFET關斷損失(turn-off loss)較大，電路的整體效率較低。但是，DCM不會受到二極管反向恢復時間的影響，MOSFET的開通損失也很小。一般應用在 250W 以下的小功率設備上。

03 常見電流控制方法


? ? ?在PFC的實際應用過程中，其常見的電流控制方法有三種，分別是峰值電流控制方式、滯環電流控制方式以及平均電流控制方式。

1) 峰值電流法

在有源PFC的實際應用中，峰值電流法是非常常見的控制方式，其主要功能是檢測峰值電流。在應用中，通常采用恒定的開關電源工作頻率，只有穩定的工作頻率才能有效地、快速地檢測出峰值電流，并將這一電流“削尖”、均化來控制開關管，并同時對PWM進行調節，使輸入電流波形與輸入電壓保持同步，從而提高功率因數。缺點是由于輸入電流被“削尖”，在電路上對輸入電流波形需要進行斜率補償。

2) 滯環電流法

滯環電流控制法也同樣是一種比較常見的有源PFC控制方式，其主要功能是檢測APFC電路中電感上的電流。當電感電流達到一定值時，則開關管開始導通，電感電流下降到一定值時，開關管將會陡然截止。它的控制方式是利用工作頻率改變來控制開關管的導通和截止。一般設計輸出濾波電路時，按最低工作頻率考慮所以，開關電源的體積和重量是最小的，工作損耗最小。

3) 平均電流法

有源PFC的平均電流控制法，這種方法在開關電源和電子鎮流器的產品設計中是應用的最多的一種方法，其特點是THD值小，對噪聲不敏感，電感電流峰值與平均值之間的誤差小，具有恒定的工作頻率，可以任意拓撲各種控制電路，輸入電壓可以隨便調節。然而，這種方法的缺點是控制電路比較復雜，需要增添電流誤差放大器。

審核編輯：湯梓紅