了解PFC对实现高能效至关重要

认识到需要改进，各国政府和行业协会都制定了书面标准，在某些情况下必须在产品投放市场前就满足这些标准。关注成本或有环保意识的客户在做出购买决定时依赖于这些标准，以确信他们在购买高能效的产品。

需要解决的一个关键领域是功率因数校正(PFC)级，包括电磁干扰(EMI)滤波器。

高能效不仅仅在单个点

对于任何与电源有关的应用，能效一直是个问题，也是制造商在其规格中规定的一个参数。然而，在过去高能效被认为是单个点尽可能最好的数字，通常在满载的75%左右。

因此，制造商将注意力集中在这一负载水平，以提高他们所理解的产品能效。但实际上器件在这个功率水平上只工作一小部分时间。在实际应用中，特别是具有动态负载的应用中，这代表实际能效远远低于预期。

为了解决这种情况，现代能源标准考虑的是整个能效曲线的性能，而不仅仅是曲线上的最佳点。因此，设计人员正在研究如何设计电源转换系统的关键器件，以在低负载和中等负载水平下工作得更好。最关键的一个领域是PFC级和EMI滤波器，二者共消耗高达8%的输出功率。

PFC概述

电力公司的供电电压总是正弦的，但线路电流的波形和相位取决于所供电的负载。对于最简单的电阻负载，负载电流也是正弦的，并且在相位上使功率易于计算。

如果负载中有电抗元件，如电感或电容器，则负载电流保持正弦，但相移与电压有关。在这种情况下，有功功率(也称为“实际”或“平均”功率)像以前一样计算，但要乘以相角(位移因子)的余弦。无功负载越多，有功功率越低。

非线性负载的情况更复杂，例如集成一个二极管桥和大输入电容的典型开关电源的输入级。在这里，电流是一系列浪涌尖峰，计算功率要使用傅里叶变换(Fourier transformation)。

图1：无功负载(左)和非线性负载(右)的电压(蓝色)和电流(红色)

平均两个正弦波的乘积需要复杂的计算，只有当两个波形具有相同的频率时，才能给出一个非零的结果。但由此可以得出，只有基本分量才能提供真正的功率，而谐波只产生无用的循环电流。

与位移因子类似，失真因子模拟失真(非正弦)波形对实际功率的影响，将实际功率定义为均方根电压、均方根电流和这两个因子的乘积。进一步分析将表明总谐波失真(THD)。

实际上，系统的功率因数只是位移和失真因子的乘积，因此，真正的功率是均方根电压、均方根电流和功率因数的乘积。

校正功率因数的实用方法

涉及PFC的主要标准是EN 61000-3-2 ，这是为了最小化从电网提供的任何电流的THD而编写的，通过定义从第二次到第四十次的所有谐波的最大幅值来实现。PFC的要求也在其他文件中(例如能源之星规范Energy Star)有所提及，许多人认为这导致了PFC技术普遍用于许多应用。

到目前为止，用于满足这些标准的最常见和最有效的PFC是有源PFC。一种典型的方法是在输入整流桥和大电容器之间添加一个PFC预稳压器，以提供恒定的电压，同时确保电流波形是正弦的。

图2：PFC在二极管桥和大电容器之间

这种方法除了明显提高功率因数外，还有许多好处。从PFC阶段的输出通常是一个相当好调节的400 V，这使得下游转换器的设计更容易，成本更低。另外，无脉冲电流降低了EMI滤波要求，减少了体积和成本.

然而，这种类型的PFC预转换器不能达到100%的能效，因此，确实造成了系统损耗。在任何电源系统中，都有两种主要类型的损耗，开关和导通。导通损耗是两种损耗之和：一种由于桥二极管的正向电压等因素与系统功率成正比，另一种与系统功率平方成正比，从而构成阻抗损耗如MOSFET的导通电阻。在较高的功率水平下，后者对能效的影响最大。

图3：开关和导通损耗构成电源系统的总损耗

另一方面，开关损耗很大部分与电流成正比，因此与传输的功率成正比。而其它部分是恒定的，与系统的功率无关。它们是由寄生电容和电荷电流引起的，通常与系统的开关频率成正比。随着设计人员增加工作频率以减少系统尺寸，开关损耗成为一个更大的挑战，特别是在较低的功率水平下，它们在能效损耗中占相当大比例。

PFC控制方案

PFC的各种控制方案都是为了满足不同系统的需要而开发的，但总目标都是降低轻载下的开关损耗和较重负载下的导通损耗。

如图所示，有三种基本的控制方案。连续导通模式(CCM)在固定频率工作和限制电感电流纹波，同时支持更高损耗。它通常用于较高功率系统(>300 W)。

临界导通模式(CrM)在电感电流降到零时开始一个新的开关周期，从而可省去快速恢复二极管。这导致可变开关频率具有较大纹波电流。这种简单而低成本的方案广泛用于包括照明在内的低功耗应用。随着低导通电阻的MOSFET越来越普遍，CrM正用于更高功率的应用中。

图4：初级单路PFC工作模式

频率钳位临界导通模式(FCCrM)是在几年前由安森美半导体推出的，用以限制CrM下的扩频。在频率最高的轻载下，工作模式改为非连续导通模式(DCM)，以降低开关损耗。额外的电路解决了DCM中典型的“死区时间”，从而确保当前的波形是正确的形状。