在如今的大多數(shù)AC電壓輸入電源應(yīng)用場合，大多需要PFC電路，不管是OBC，還是便攜式儲能，還是傳統(tǒng)的服務(wù)器電源，或是照明電路，PFC電路是不可或缺的一部分,本文對PFC電路的基礎(chǔ)層面的東西做一些分析。

一.為什么需要PFC

通常在AC電壓之后會帶一個(gè)整流電路，整流后的電路進(jìn)入DC/DC轉(zhuǎn)換電路后，通過高頻開關(guān)的動作，則從AC端輸入看來，輸入電流會變?yōu)楦哳l脈沖式的電流，它們往往是不連續(xù)的波形。在電網(wǎng)中，拉出這樣的電流，會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的損耗，導(dǎo)致產(chǎn)生大量諧波，并且對外產(chǎn)生輻射等，功率較大時(shí)，這個(gè)影響會更大，如圖1中中間的輸入電流波形，所示。

圖1 帶PFC和不帶PFC時(shí)的輸入電流波形比較

電流諧波，一般是基波的整數(shù)倍的正弦波，可以看成是電網(wǎng)上連續(xù)的穩(wěn)定的一些干擾，從上述分析中，我們也得知，它是由于電網(wǎng)負(fù)載的瞬態(tài)功率導(dǎo)致的畸變。

圖2 導(dǎo)致電流諧波的源頭

造成電流諧波的源有很多，諸如，各種開關(guān)電源或者其它電力設(shè)備，或者輔助設(shè)備，及電機(jī)等設(shè)備等，這里我們不一一詳述，如圖2可以參考。

電流諧波會產(chǎn)生哪些影響呢？由于它是高頻的一些干擾，所以會導(dǎo)致敏感的控制系統(tǒng)錯(cuò)誤的運(yùn)行，或者導(dǎo)致斷路器的異常動作，或者保險(xiǎn)絲的燒毀等，有些時(shí)候也有會導(dǎo)致設(shè)備過熱而異常運(yùn)行。

所以，我們首先想到的一個(gè)問題，就是如何減小這個(gè)諧波的不良影響。最直接的辦法，就是讓從電源輸入端拉出的電流，整形為和輸入正弦電壓類似的波形。

二.什么是PF

要理解PF值，需要首先理解一些基本概念，如有功功率，無功功率，視在功率等。

有功功率，表示電網(wǎng)實(shí)際消耗的功率，主要表現(xiàn)在變?yōu)楣?，熱，或者動能的結(jié)果的部分，用W表示，在電表上表示為Wh。而無功功率，表示是不做功的部分，但是為了維持電磁場的部分的功率，它的單位是VA。相應(yīng)的，總功率就是視在功率，它由有功功率，和無功功率組成。

無功功率產(chǎn)生主要是由于以下原因：

1. 電壓和電流之間存在的相移，導(dǎo)致存在displacement，這部分稱作位移因子。

2. 電流波形中存在畸變，即distortion，這部分稱作畸變因子THD。

以上二者都會影響功率因數(shù)PF值,PF值的表達(dá)式如圖3所示。

圖3 PF值組成部分

功率因數(shù)PF值，表示有功功率在總的視在功率中的比例，是表征一個(gè)系統(tǒng)的節(jié)能指標(biāo)，PF值越大越好。

圖4 功率因數(shù)概念PF值

所以，經(jīng)上述分析，PFC電路的目標(biāo)，就是盡可能從電源中獲取有功功率，減小位移因子和畸變因子，減小系統(tǒng)的無功成分，以便改善功率質(zhì)量以及系統(tǒng)整體效率。

那么，改善了PF后，會帶來什么好處呢？

由于提高了電源系統(tǒng)有功功率的比例，所以系統(tǒng)在傳遞功率過程中效率更高，同時(shí)也提高了電網(wǎng)的容量，可以更好的服務(wù)更大功率的負(fù)載。

經(jīng)過改善PF值后的電源，在電網(wǎng)看來，從電源輸入端看上去，就表現(xiàn)得像一個(gè)線性電阻特性一樣，輸入電流波形可以跟隨正弦輸入電壓波形。

圖5 改善PF后的輸入電壓和電流關(guān)系

三．如何實(shí)現(xiàn)PFC

雖然電路中具有電感，電容，開關(guān)等電抗性器件，但是畢竟PFC電路是在低頻輸入下工作，通過濾波機(jī)制也可以讓它看起來像電阻一樣的特性。

圖6 電感等效為電流源

圖7 電容等效為電壓源

根據(jù)電感和電容的基本特性，我們可知在單個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感電流不變，而電容電壓不變，所以二者可以分別等效為電流源和電壓源。

對于PFC來說，一般會讓輸出電壓和輸入電流同時(shí)得到控制，輸入電流會被整形為和輸入電壓一樣的，輸出電壓會被控制為直流電壓。

根據(jù)電容和電感的基本特性，在低頻信號下，其同樣可以看成是阻性的，如果電感電流被控制，而跟隨輸入正弦電壓，那么在一定的負(fù)載范圍下，輸入電壓和輸入電流都是成比例的。

所以，PFC電路，就是一個(gè)AC轉(zhuǎn)DC的變換器，最終讓輸入正弦電壓和輸入電流保持同相位，并且將AC電壓轉(zhuǎn)換為DC電壓。

對于有橋PFC來說，首先通過全橋整流，將交流AC電壓轉(zhuǎn)化為單向的電壓，進(jìn)而進(jìn)入PFC電路，PFC電路通過電路斬波PWM控制,產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出電壓DC輸出，且讓輸入電流跟隨輸入電壓，基于這個(gè)目標(biāo)，PFC電路需要采樣三個(gè)電參數(shù)，輸入交流電壓，輸出直流電壓，輸入電流進(jìn)行控制算法設(shè)計(jì)。

圖8 PFC電路的基本結(jié)構(gòu)框圖

圖9 boost PFC電路

當(dāng)PFC采用boost電路時(shí)，如圖9所示結(jié)構(gòu)，此電路結(jié)構(gòu)中，控制開關(guān)的耐壓取決于輸出電壓，輸入電壓和輸出電壓的關(guān)系是升壓關(guān)系。

圖10 boost PFC電路的波形

Boost電路的輸入電流波形，當(dāng)控制為CCM模式時(shí)，由于電感電流是一個(gè)連續(xù)的狀態(tài)，AC輸入電流就是輸入電感電流，所以輸入電流的輪廓線是跟隨輸入正弦電壓的形式。

圖11 buck PFC電路

當(dāng)PFC電路以buck形式實(shí)現(xiàn)時(shí)，控制開關(guān)的耐壓取決于輸入電壓，輸入整流電壓和輸出電壓是降壓關(guān)系。

圖12 buck PFC電路的波形

Buck電路的輸入電流就是控制開關(guān)的電流，由于控制開關(guān)高頻工作，因此電流波形為脈沖電流，如圖12所示。

另外，一種基本變換器是buck-boost電路，此處我們不詳細(xì)敘述，其輸入電流波形和buck電路類似，都是脈沖電流。

所以，從輸入電流的特性上來看，只有boost電路的PFC可以做到輸入電流連續(xù)，尤其是處于CCM模式下，這樣可以很好的減小電流諧波，因此傳統(tǒng)的PFC電路都是以Boost電路形式存在。

當(dāng)采用數(shù)字控制去控制boost PFC電路時(shí)，可以給設(shè)計(jì)帶來很多好處，如控制算法靈活實(shí)現(xiàn)，可以靈活的改變軟件適應(yīng)客戶需求，也容易集成其它功能，需要面臨的首要問題，就是模擬采樣信號的數(shù)字離散化，后續(xù)我們將逐步討論PFC的數(shù)字化過程。

總結(jié)，簡要分析PFC的必要性和PF相關(guān)的基本概念，及PFC基本拓?fù)涞挠懻?，為后續(xù)進(jìn)行PFC的數(shù)字化奠定基礎(chǔ)。