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【摘 要】电器设备性能的好坏和功率因数息息相关。如果电器设备功率因数低，不但会导致电能的浪费，同时还会产生较高电流谐波。研究表明，这些较高的谐波会对输电线路产生传导干扰和辐射干扰，进而妨碍其它电器设备的安全运行。因此，降低电流谐波对电网的影像，防止电磁干扰，已成为全球的热点问题。想要降低电流谐波，那么就一定要研究功率因素。在国际上，电工委已经对电气设备的各次谐波做出限制性的要求，世界各国尤其是发达国家已开始实施这一标准。
【关键词】电源设计 功率因数 校正方法
PFC的英文全称为“Power Factor Correction”，意思是“功率因数校正”，功率因数指的是有效功率与总耗电量（视在功率）之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量（视在功率）的比值。 基本上功率因素可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因素值越大，代表其电力利用率越高。现在我们通过探讨PFC来解决实际问题。
一、拓扑选择方法
PFC被分为两类：一类是被动式PFC一般分“电感补偿式”和“填谷电路式（Valley Fill Circuit）”“电感补偿式”是使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数，“电感补偿式”包括静音式和非静音式。“电感补偿式”的功率因数只能达到0.7～0.8，它一般在高压滤波电容附近。“填谷电路式”属于一种新型无源功率因数校正电路，其特点是利用整流桥后面的填谷电路来大幅度增加整流管的导通角，通过填平谷点，使输入电流从尖峰脉冲变为接近于正弦波的波形，将功率因数提高到0.9左右，显著降低总谐波失真。与传统的电感式无源功率因数校正电路相比，其优点是电路简单，功率因数补偿效果显著，并且在输入电路中不需要使用体积大重量沉的大电感器。
另一类是主动式PFC而主动式PFC则由电感电容及电子元器件组成，体积小、通过专用IC去调整电流的波形，对电流电压间的相位差进行补偿。主动式PFC可以达到较高的功率因数──通常可达98%以上，但成本也相对较高。此外，主动式PFC还可用作辅助电源，因此在使用主动式PFC电路中，往往不需要待机变压器，而且主动式PFC输出直流电压的纹波很小，这种电源不必采用很大容量的滤波电容。
二、选择标准
（一）如果功率水平低于150 W，最好采用CRM或DCM方案。想优化满载效率一般采用CRM；减少EMI问题一般选择DCM。
（二）如功率水平高于250W，采用CCM方案。该方案优点保持峰值电流和有效值电流，缺点必须解决二极管反向恢复问题。
（三）如功率水平在150W 与250w之间，方案的选择则取决于设计人员的磁件设计水平。
（四）如果功率在几kw之上，则采用可控整流电路代替不控整流电路，控制方法采用pwm整流，以实现功率因数的矫正。
三、功率因数的限制因数
电路中功率因数较低因数有很多，例如电器的整流电源普遍采用的电容滤波型桥式整流电路（图1）。
我们知道正向电阻r和交流电源内阻R均很小。所以滤波电容C被充电到电压的峰值会很快，滤波电容C的端电压大于交流电源输入电压时，就停止充电，同事Dl、D3就截止；同理，可分析负半周D2、D4的工作情况。
利用以上分析，我们不难推出在电路稳态后，在一个周期内交流电压的给电容充电的时间很短，从而导致输入电流波的波型由宽变薄（图2）。
为了提高效率，减少谐波畸变率，必须进行功率因数校正。为了减少成本，在低功率的条件下，采用无源功率因数校正电路，文献提出了一种逐流充放电式的无源校正电路，并在此基础上对逐流充放电式的无源校正电路进行了拓扑，其中提出的电路拓扑适用于小功率，低损耗，成本低的条件下使用。
四、有源功率因数校正 （PFC）电路的发展
APFC一般采用升压式，是由于其输入电流不易断开。所以在电力电子技术及电子仪器仪表中，不通过标准整流器也很容易的到直流电压。当整流器件工作时，会产生大量谐波，导致输入电路的功率因素不到0.7，因此对电网和其它用电设备危害非常大。为了解决这一问题我们采用校正电路。从功率因素（PF）、功率因素（PF）与总电流谐波畸变（THD：Total Harmonic Distortion）的关系出发，提出提高功率因数和效率的方法：（一）简而言之就是地抑制电流的波形畸变，让THD值降低。（二）想办法让波与电压基波之间的相位差趋于零，使余弦值等于1，从而实现功率因素校正。
采用功率因素校正技术，迫使输入电流波形和流输入电压波形的变化一致，进而出现纯正的正弦波。
五、Boost拓扑结构的PFC电路工作原理
电流基准信号是出电压与参考电压比较后经电压环控制器得到输出值，并与输入整流后的电压值相乘的结果。
（一）级功率校正—峰值电流控制。通过分析升压式有源功率校正APFC电路的基本原理，用UC3854搭建了APFC电路，也就是利用APFC控制电路，再用 UC3854的固定频率控制APFC電路不出现电流畸变，使输入电流和输入电压的变化同步，进而使输出电压稳定。
（二）两级功率校正。由于单级DC-DC校正电路虽容易实现，但是它有控制复杂等不可克服的缺点，故提出了两级功率校正。利用TOPswitch很容易实现两级结构的有源功率因数校正。电路由TOPswitch构成的PFC电路和自激式半桥逆变电路组成。通过对其工作原理进行详细分析，给出了电路参数和设计方法。该有源功率因数校正无需额外的控制电路和辅助电源。因此具有结构简单、成本低、性能好等特点。单级PFC功率因数校正器具有成本低、使用的器件少等优点，所以成为目前的研究热点。但是在单级结构中存在：1.PFC整流部分和逆变部分通常共用一个开关，使得两者之间有一定的耦合关系。2.直流母线电压随着电网电压的波动而波动，造成负载工作点的变化.可能使负载不工作。3.直流电压的变化会引起工作频率的变化，从而很难确定工作电压。 所以，单级结构的有源功率因数校正通常采用它激式，以保证工作频率的固定，然而这又会会使控制电路复杂、成本增加。而两级自激式功率因数校正器，因为它没有控制集成电路和控制电源，所以结构简单、器件少、成本低、功率因数高，最重要的是它能保证直流电压稳定，电网被干扰的程度小，因此在实现生活中被广泛应用。
（三）两级功率校正优化—直接功率转换
由于受各种器件的限制，现在又提出了直接功率转换（DPT）技术的单级PFC，AC—DC 变换器，并进行了深入的分析和综合.应用DPT技术可以降低变换器的直流母线电压.提高效率.使其在小功率的应用中具有更大的前景。
我们知道通过功率因数校正（PFC）技术可以减少变换器中的电流谐波，提升功率因数，减少电网污染。我们讨论两级方案：PFC级后接DC-DC级的优缺点。两级方案可以高功率因数，但对于小功率应用来说，它的缺点是电路复杂、体积大、成本高。采用直接功率转换（DFF）技术将变换器部分的功率直接（一次）输送到输出端，而余下的被传递到储能电容中，或使储能电容电压被箝位，这样减少了重复传递输入功率，同时提高了变换器的效率，而且还降低了储能电容的电压和开关器件的电压应力，因此解决了上述难题。对直接功率转换（DFF）技术提出的下列幾种拓扑：（见图（a）（b）（c）（d）
六、单周控制（OCC）法
原理为我们发现去掉了转换器输入端的常规桥式整流电路，不但能减少开关损耗，而且还能提高效率。这种设计，避免了导通损耗而降低效率的问题，还有一大优点为设计简单，使用电器元件少。因此现在提出了不使用桥式整流电路的PFC设计—用MOSFET代替二极管，减少了导通的功率管的数目，同时提出了单周控制（OCC）方法。采用输入电压和输入电流的感测较为复杂的方法从而去掉输入整流器的导通损耗和电路的简化设计，再者输出浮动会增大电磁干扰。于是我们可以将无桥式整流的电路与OCC控制方法整合使用，这样就能用无桥式整流的方法提高效率、简化设计，并且不需要使用复杂的电流和电压感测电路。
七、现代APFC的小信号分析法及PFC器件
为解决电磁干扰及兼容问题，进行小信号分析，提出了基于Boost变换器拓扑PFC电路的建模，这是以Boost变换器为主拓扑结构，平均电流控制模式进行PFC校正，并在准静态分析法的基础上，建立系统的简化小信号模型。在此基础上，以闭环系统的带宽和相位裕量为设计指标，给出了实用的闭环反馈控制器的设计方法。采用准静态分析法来对系统的模型进行分析和设计。提出了电流环功率级简化模型。控制器的实现是按照电压环和电流环分别设计。根据有源功率因数校正的基本特性。对系统进行了建模，同时对数学模型进行分析和计算。现在提出的嵌入式模块技术，是将来模块超小型化不可缺少的技术。今后，在嵌入式模块等各自的技术特点不断发展的同时，应将其复合化，进一步确立基片和贴装平台技术。另外，今后还应考虑强化无源元件的开发技术，开发由此派生的三维贴装模块技术，进一步推进实用化。另一方面，今后应将通用无源元件应用于嵌入式模块的开发当中。例如，薄形产品（例如：1005尺寸和0603尺寸，厚度为0.1mm等的元件）应实现标准化。另外，为了扩大适用范围，还应开发膜片式电感器和膜片式电容器等。
【关键词】电源设计 功率因数 校正方法
PFC的英文全称为“Power Factor Correction”，意思是“功率因数校正”，功率因数指的是有效功率与总耗电量（视在功率）之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量（视在功率）的比值。 基本上功率因素可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因素值越大，代表其电力利用率越高。现在我们通过探讨PFC来解决实际问题。
一、拓扑选择方法
PFC被分为两类：一类是被动式PFC一般分“电感补偿式”和“填谷电路式（Valley Fill Circuit）”“电感补偿式”是使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数，“电感补偿式”包括静音式和非静音式。“电感补偿式”的功率因数只能达到0.7～0.8，它一般在高压滤波电容附近。“填谷电路式”属于一种新型无源功率因数校正电路，其特点是利用整流桥后面的填谷电路来大幅度增加整流管的导通角，通过填平谷点，使输入电流从尖峰脉冲变为接近于正弦波的波形，将功率因数提高到0.9左右，显著降低总谐波失真。与传统的电感式无源功率因数校正电路相比，其优点是电路简单，功率因数补偿效果显著，并且在输入电路中不需要使用体积大重量沉的大电感器。
另一类是主动式PFC而主动式PFC则由电感电容及电子元器件组成，体积小、通过专用IC去调整电流的波形，对电流电压间的相位差进行补偿。主动式PFC可以达到较高的功率因数──通常可达98%以上，但成本也相对较高。此外，主动式PFC还可用作辅助电源，因此在使用主动式PFC电路中，往往不需要待机变压器，而且主动式PFC输出直流电压的纹波很小，这种电源不必采用很大容量的滤波电容。
二、选择标准
（一）如果功率水平低于150 W，最好采用CRM或DCM方案。想优化满载效率一般采用CRM；减少EMI问题一般选择DCM。
（二）如功率水平高于250W，采用CCM方案。该方案优点保持峰值电流和有效值电流，缺点必须解决二极管反向恢复问题。
（三）如功率水平在150W 与250w之间，方案的选择则取决于设计人员的磁件设计水平。
（四）如果功率在几kw之上，则采用可控整流电路代替不控整流电路，控制方法采用pwm整流，以实现功率因数的矫正。
三、功率因数的限制因数
电路中功率因数较低因数有很多，例如电器的整流电源普遍采用的电容滤波型桥式整流电路（图1）。
我们知道正向电阻r和交流电源内阻R均很小。所以滤波电容C被充电到电压的峰值会很快，滤波电容C的端电压大于交流电源输入电压时，就停止充电，同事Dl、D3就截止；同理，可分析负半周D2、D4的工作情况。
利用以上分析，我们不难推出在电路稳态后，在一个周期内交流电压的给电容充电的时间很短，从而导致输入电流波的波型由宽变薄（图2）。
为了提高效率，减少谐波畸变率，必须进行功率因数校正。为了减少成本，在低功率的条件下，采用无源功率因数校正电路，文献提出了一种逐流充放电式的无源校正电路，并在此基础上对逐流充放电式的无源校正电路进行了拓扑，其中提出的电路拓扑适用于小功率，低损耗，成本低的条件下使用。
四、有源功率因数校正 （PFC）电路的发展
APFC一般采用升压式，是由于其输入电流不易断开。所以在电力电子技术及电子仪器仪表中，不通过标准整流器也很容易的到直流电压。当整流器件工作时，会产生大量谐波，导致输入电路的功率因素不到0.7，因此对电网和其它用电设备危害非常大。为了解决这一问题我们采用校正电路。从功率因素（PF）、功率因素（PF）与总电流谐波畸变（THD：Total Harmonic Distortion）的关系出发，提出提高功率因数和效率的方法：（一）简而言之就是地抑制电流的波形畸变，让THD值降低。（二）想办法让波与电压基波之间的相位差趋于零，使余弦值等于1，从而实现功率因素校正。
采用功率因素校正技术，迫使输入电流波形和流输入电压波形的变化一致，进而出现纯正的正弦波。
五、Boost拓扑结构的PFC电路工作原理
电流基准信号是出电压与参考电压比较后经电压环控制器得到输出值，并与输入整流后的电压值相乘的结果。
（一）级功率校正—峰值电流控制。通过分析升压式有源功率校正APFC电路的基本原理，用UC3854搭建了APFC电路，也就是利用APFC控制电路，再用 UC3854的固定频率控制APFC電路不出现电流畸变，使输入电流和输入电压的变化同步，进而使输出电压稳定。
（二）两级功率校正。由于单级DC-DC校正电路虽容易实现，但是它有控制复杂等不可克服的缺点，故提出了两级功率校正。利用TOPswitch很容易实现两级结构的有源功率因数校正。电路由TOPswitch构成的PFC电路和自激式半桥逆变电路组成。通过对其工作原理进行详细分析，给出了电路参数和设计方法。该有源功率因数校正无需额外的控制电路和辅助电源。因此具有结构简单、成本低、性能好等特点。单级PFC功率因数校正器具有成本低、使用的器件少等优点，所以成为目前的研究热点。但是在单级结构中存在：1.PFC整流部分和逆变部分通常共用一个开关，使得两者之间有一定的耦合关系。2.直流母线电压随着电网电压的波动而波动，造成负载工作点的变化.可能使负载不工作。3.直流电压的变化会引起工作频率的变化，从而很难确定工作电压。 所以，单级结构的有源功率因数校正通常采用它激式，以保证工作频率的固定，然而这又会会使控制电路复杂、成本增加。而两级自激式功率因数校正器，因为它没有控制集成电路和控制电源，所以结构简单、器件少、成本低、功率因数高，最重要的是它能保证直流电压稳定，电网被干扰的程度小，因此在实现生活中被广泛应用。
（三）两级功率校正优化—直接功率转换
由于受各种器件的限制，现在又提出了直接功率转换（DPT）技术的单级PFC，AC—DC 变换器，并进行了深入的分析和综合.应用DPT技术可以降低变换器的直流母线电压.提高效率.使其在小功率的应用中具有更大的前景。
我们知道通过功率因数校正（PFC）技术可以减少变换器中的电流谐波，提升功率因数，减少电网污染。我们讨论两级方案：PFC级后接DC-DC级的优缺点。两级方案可以高功率因数，但对于小功率应用来说，它的缺点是电路复杂、体积大、成本高。采用直接功率转换（DFF）技术将变换器部分的功率直接（一次）输送到输出端，而余下的被传递到储能电容中，或使储能电容电压被箝位，这样减少了重复传递输入功率，同时提高了变换器的效率，而且还降低了储能电容的电压和开关器件的电压应力，因此解决了上述难题。对直接功率转换（DFF）技术提出的下列幾种拓扑：（见图（a）（b）（c）（d）
六、单周控制（OCC）法
原理为我们发现去掉了转换器输入端的常规桥式整流电路，不但能减少开关损耗，而且还能提高效率。这种设计，避免了导通损耗而降低效率的问题，还有一大优点为设计简单，使用电器元件少。因此现在提出了不使用桥式整流电路的PFC设计—用MOSFET代替二极管，减少了导通的功率管的数目，同时提出了单周控制（OCC）方法。采用输入电压和输入电流的感测较为复杂的方法从而去掉输入整流器的导通损耗和电路的简化设计，再者输出浮动会增大电磁干扰。于是我们可以将无桥式整流的电路与OCC控制方法整合使用，这样就能用无桥式整流的方法提高效率、简化设计，并且不需要使用复杂的电流和电压感测电路。
七、现代APFC的小信号分析法及PFC器件
为解决电磁干扰及兼容问题，进行小信号分析，提出了基于Boost变换器拓扑PFC电路的建模，这是以Boost变换器为主拓扑结构，平均电流控制模式进行PFC校正，并在准静态分析法的基础上，建立系统的简化小信号模型。在此基础上，以闭环系统的带宽和相位裕量为设计指标，给出了实用的闭环反馈控制器的设计方法。采用准静态分析法来对系统的模型进行分析和设计。提出了电流环功率级简化模型。控制器的实现是按照电压环和电流环分别设计。根据有源功率因数校正的基本特性。对系统进行了建模，同时对数学模型进行分析和计算。现在提出的嵌入式模块技术，是将来模块超小型化不可缺少的技术。今后，在嵌入式模块等各自的技术特点不断发展的同时，应将其复合化，进一步确立基片和贴装平台技术。另外，今后还应考虑强化无源元件的开发技术，开发由此派生的三维贴装模块技术，进一步推进实用化。另一方面，今后应将通用无源元件应用于嵌入式模块的开发当中。例如，薄形产品（例如：1005尺寸和0603尺寸，厚度为0.1mm等的元件）应实现标准化。另外，为了扩大适用范围，还应开发膜片式电感器和膜片式电容器等。