什么是功率因子？为什么需要校正？
我们得明白两个基本概念：功率因子 和 谐波。
1 理想的功率因子
在理想的交流电路中（比如纯电阻负载，如白炽灯），电压和电流的波形是完美的正弦波，并且相位完全相同，电路的视在功率（电压有效值 × 电流有效值）等于有功功率（实际消耗的功率），功率因子为 1。
2 现实中的问题：无源整流电路
绝大多数现代电子设备（如电脑电源、LED驱动器、充电器）内部都有一个二极管整流桥 和一个大容量电解电容 的输入级，这个电路被称为“无源整流电路”或“电容输入滤波电路”。
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工作原理：只有在交流电压的瞬时值高于电容电压时，二极管才会导通，对电容充电，并为后级电路供电，当交流电压低于电容电压时，二极管反向截止,由电容单独为后级电路供电。
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产生的现象：这导致输入电流只在交流电压峰值附近才会出现非常短暂、尖峰状的脉冲电流。
（图片来源网络，侵删） -
后果：
- 功率因子降低：这个尖峰状的电流波形不再是正弦波，与电压波形产生了严重的相位差和波形畸变，功率因子 PF = cos(φ) × DPF，其中DPF是位移功率因子，cos(φ)是畸变因子，对于这种电路，cos(φ)远小于1，导致整体功率因子非常低，通常在 5 ~ 0.7 之间。
- 谐波污染：根据傅里叶变换，任何非正弦波都可以分解为基波（50/60Hz）和一系列高次谐波，这个尖峰电流包含了大量的3次、5次、7次等奇次谐波。
- 电网负担加重：低功率因子意味着电网需要提供更大的电流才能为设备提供相同的有功功率，这增加了线路损耗（I²R损失），降低了电网的利用效率，并可能对电网造成污染,影响其他设备。
3 功率因子校正的意义
为了解决上述问题，引入了功率因子校正技术,其主要目标是：
- 使输入电流波形跟踪输入电压波形,使其成为同相位的正弦波。
- 将功率因子提升到接近1（> 0.95）。
- 抑制高次谐波，使其满足国际标准（如IEC 61000-3-2）的谐波限值要求。
有源功率因子校正 vs. 无源功率因子校正
有两种主要的PFC技术：
| 特性 | 无源功率因子校正 | 有源功率因子校正 |
|---|---|---|
| 核心元件 | 电感、电容、电阻 | 开关管、二极管、控制IC |
| 工作原理 | 利用电感和电容的储能和滤波特性来平滑电流 | 通过高频开关控制，强制输入电流跟随电压 |
| 优点 | - 电路简单，成本低 - 无EMI（电磁干扰）问题 - 可靠性高 |
- 功率因子高（可达0.99） - 体积小、重量轻（因为使用小电感） - 效率高（>95%） - 输出电压更稳定 |
| 缺点 | - 功率因子提升有限（约0.8-0.9） - 体积大、重量重（需要大电感） - 效率较低 - 输出电压随输入电压变化 |
- 电路复杂，成本高 - 存在高频EMI问题 - 控制电路复杂 |
| 应用场景 | 对成本敏感、对体积和效率要求不高的场合，如部分传统电源、镇流器 | 绝大多数现代电源，如电脑ATX电源、服务器电源、LED驱动器、变频器、充电桩等 |
有源PFC凭借其高效率、高PF和轻量化的优势,已成为主流和高性能电源的标配技术。
有源功率因子校正 的工作原理
APFC的核心思想是升压变换器，它通过一个高速开关（通常是MOSFET）和一个控制器，将不规则的输入电流“整形”为平滑的正弦波。
1 基本拓扑：Boost升压变换器
APFC电路最常用的拓扑是Boost（升压）变换器,它由以下部分组成：
- 桥式整流器：将交流电转换为脉动的直流电。
- 开关管：通常是MOSFET，由PWM（脉宽调制）信号控制其开关频率（通常在几十kHz到几百kHz）。
- 储能电感：在开关导通时储存能量，在开关关断时释放能量,是平滑电流的关键。
- 升压二极管：防止电流从电容倒流回电感和开关。
- 输出电容：储存能量,为后级负载提供稳定的直流电压。
- 控制IC：APFC的“大脑”，负责监测输入电压和电流,并生成PWM信号。
2 工作流程（关键思想：平均电流法）
APFC的控制目标是让输入电流 I_in(t) 的平均值 I_in_avg(t) 始终与输入电压 V_in(t) 成正比,且同相位。
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采样：
- 控制IC通过电阻分压网络采样输入电压的瞬时值
V_in(t)，这个信号作为基准正弦波的参考。 - 通过一个电流采样电阻（或霍尔传感器）采样输入电流的瞬时值
I_in(t)。
- 控制IC通过电阻分压网络采样输入电压的瞬时值
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误差放大与乘法：
- 控制IC内部有一个乘法器，它将采样的输入电压
V_in(t)与一个代表输出功率需求的直流信号V_dc相乘，得到一个电流基准信号I_ref(t)，这个I_ref(t)就是一个理想的、与输入电压同相位的正弦波。 - 采样的实际输入电流
I_in(t)与这个I_ref(t)进行比较，产生一个误差信号。
- 控制IC内部有一个乘法器，它将采样的输入电压
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PWM调制：
- 误差信号输入到PWM比较器的一端，另一端是内部的高频锯齿波。
- 当误差信号高于锯齿波时，PWM输出高电平,MOSFET导通。
- 当误差信号低于锯齿波时，PWM输出低电平,MOSFET关断。
- 通过这种方式，控制器不断动态调整MOSFET的导通时间（占空比），使得实际的输入电流
I_in(t)的平均值被强制跟踪I_ref(t)的波形。
一个周期的简化分析：
- MOSFET导通时：电流流过电感
L，电感储能，电流线性上升，此时二极管反偏，负载由输出电容C供电。 - MOSFET关断时：电感
L中储存的能量以感应电动势的形式释放，与输入电压串联，通过二极管D向电容C和负载供电，同时对电感反向充电,电流线性下降。
通过高频开关（例如100kHz），输入电流的“毛刺”被电感极大地平滑,其包络线就形成了与输入电压同相位的正弦波。
3 输出电压
APFC电路的另一个重要功能是稳定输出电压，它通常被稳定在一个更高的直流电压上，例如对于85V-265V的宽范围交流输入，输出电压会稳定在 380V - 400V 左右。
- 优点：这个较高的直流电压为后级的DC/DC变换器（如LLC谐振变换器）提供了更优的工作条件，使其效率更高、性能更好。
- 实现：控制IC会通过一个电阻分压网络采样输出电压，并与一个内部设定的基准电压（如400V）进行比较，这个电压误差信号会参与到上述的乘法运算中，调整整体功率输出,从而维持输出电压的稳定。
APFC的控制模式
根据电流控制方式的不同,APFC主要有以下几种模式：
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连续导通模式：
- 特点：电感电流在整个开关周期内都大于零,电流纹波小。
- 优点：EMI噪声小,对输入滤波要求低。
- 缺点：开关管在零电流时开通，存在开通损耗。
- 应用：最常用,适用于大功率应用。
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断续导通模式：
- 特点：在每个开关周期内，电感电流会下降到零,并有一段时间为零。
- 优点：开关管在零电流时关断，关断损耗为零，电路简单,成本低。
- 缺点：电流纹波大，EMI噪声严重,输入电流有效值高。
- 应用：通常用于小功率、低成本的场合。
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临界导通模式：
- 特点：是CCM和DCM的临界状态,电感电流在每个周期刚好降到零。
- 优点：结合了DCM零电流关断的优点和CCM低电流纹波的部分优点。
- 缺点：开关频率不固定,给EMI滤波设计带来挑战。
- 应用：在中等功率范围应用广泛。
APFC的优势总结
- 高功率因子：PF > 0.95，满足国际法规，减少电费（部分国家对低PF企业有罚款）。
- 高效率：自身效率可达95%以上,减少了能源浪费。
- 小型化轻量化：工作在高频，可以使用小尺寸的电感和电容,大大减小了电源的体积和重量。
- 纯净的输入电流：极大地减少了谐波污染,保护了电网和其他用电设备。
- 稳定的输出电压：为后级DC/DC变换器提供了理想的输入条件。
应用实例
当你购买一台电脑电源时，如果产品规格上标注了 "80 PLUS Bronze/Gold/Platinum" 和 "Active PFC"，就意味着它采用了有源功率因子校正技术，并且在高负载下的效率也达到了相应等级（如金牌效率 > 90%）。
其他应用包括：服务器电源、工业变频器、电动汽车充电桩、高端LED照明驱动、太阳能逆变器等几乎所有需要将交流电转换为直流电的现代电力电子设备中。
