1.前言

PFC的英文全稱(chēng)為“Power Factor CorrecTIon”，意思是“功率因數(shù)校正”，功率因數(shù)指的是有效功率與總耗電量（視在功率）之間的關(guān)系，也就是有效功率除以總耗電量（視在功率）的比值。 基本上功率因數(shù)可以衡量電力被有效利用的程度，當(dāng)功率因數(shù)值越大，代表其電力利用率越高。

功率因數(shù)是用來(lái)衡量用電設(shè)備用電效率的參數(shù)，低功率因數(shù)代表低電力效能。為了提高用電設(shè)備功率因數(shù)的技術(shù)就稱(chēng)為功率因數(shù)校正。

被動(dòng)式PFC一般分“電感補(bǔ)償式”和“填谷電路式（Valley Fill Circuit）”

“電感補(bǔ)償式”是使交流輸入的基波電流與電壓之間相位差減小來(lái)提高功率因數(shù)，“電感補(bǔ)償式”包括靜音式和非靜音式?！半姼醒a(bǔ)償式”的功率因數(shù)只能達(dá)到0.7～0.8，它一般在高壓濾波電容附近。而主動(dòng)式PFC則由電感電容及電子元器件組成，體積小、通過(guò)專(zhuān)用IC去調(diào)整電流的波形，對(duì)電流電壓間的相位差進(jìn)行補(bǔ)償。主動(dòng)式PFC可以達(dá)到較高的功率因數(shù)──通?？蛇_(dá)98%以上，但成本也相對(duì)較高。

大家知道：PFC電路后面大的儲(chǔ)能濾波電容C和PFC電感L是串聯(lián)的，由于電感L上的電流不能突變，就對(duì)大的濾波電容C的浪涌電流起了限制作用。

輸出電容器是升壓功率因數(shù)校正(FPC)電路中的主要能量存儲(chǔ)元件（圖 1）；它也是更大、更昂貴的組件之一。許多因素決定了它的選擇：所需的電容、環(huán)境溫度、預(yù)期的使用壽命和可用的物理空間。在這篇文章中，我想看看在電容器中流動(dòng)的紋波電流。預(yù)測(cè)紋波電流的最準(zhǔn)確方法是進(jìn)行數(shù)值模擬，但有一些簡(jiǎn)單的公式可以為我們提供相當(dāng)準(zhǔn)確的電流估計(jì)值，并深入了解這些電流如何隨工作條件而變化。

2.電容

正如我所說(shuō)，輸出電容器是一個(gè)相對(duì)昂貴的組件，因此我們可能會(huì)選擇仍然能使設(shè)計(jì)滿(mǎn)足其規(guī)格的最小電容量。在所有其他條件相同的情況下，較小的電容器將比較大的電容器具有更低的成本。兩個(gè)主要考慮因素決定了我們需要多少電容：所需的保持時(shí)間和允許的紋波電壓。

對(duì)于所需的保持時(shí)間，我們可以使用公式 1 來(lái)計(jì)算所需的電容：

其中 P out是從輸出電容器獲取的功率，t hu是所需的保持時(shí)間，V initial和 V final分別是初始和最終電容器電壓。

如果保持時(shí)間不重要，那么我們可以根據(jù)允許的電壓紋波來(lái)確定電容器的大小。等式 2 給出 C輸出為：

其中 I out是負(fù)載電流，V紋波是電容器上的峰峰值電壓紋波。

圖 1：典型升壓 PFC 原理圖

3.電容電流

重新排列的公式 2 可以確定電容器上的低頻紋波電壓。該紋波是正弦的，前提是 PFC 級(jí)汲取的線路電流是正弦的。它將是線路頻率的兩倍，我們可以使用公式 3 計(jì)算紋波電壓的峰峰值幅度：

電容器中的低頻紋波電流與輸出電流的關(guān)系非常簡(jiǎn)單。公式 4 給出了電流的 RMS（均方根）值，因?yàn)榇蠖鄶?shù)電容器都是根據(jù) RMS 紋波電流指定的。這里的結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果非常吻合：

除了兩倍線路頻率的分量外，紋波電流還具有 PFC 開(kāi)關(guān)頻率及其諧波處的高頻分量。我們可以使用 Erickson 和 Maksimovic 的“電力電子基礎(chǔ)”中公式的稍微修改版本來(lái)計(jì)算 RMS 總電容器紋波電流。該公式忽略了電感開(kāi)關(guān)頻率紋波電流的影響，因此與數(shù)值模擬相比低估了電流。這種低估在高壓線處成比例地變大，但因?yàn)榧y波電流在低壓線處最大，所以公式 5 準(zhǔn)確到好于約 10%：

電容器電流的高頻分量就是總電流減去低頻電流。公式 6 給出的結(jié)果是一個(gè) RMS 值：

4.一些注意事項(xiàng)

我在這篇文章中查看了單相 CCM（連續(xù)傳導(dǎo)模式）PFC 級(jí)，但低頻紋波計(jì)算也適用于交錯(cuò)、CrCM（臨界傳導(dǎo)模式）和 DCM（不連續(xù)傳導(dǎo)模式）設(shè)計(jì)。然而，高頻紋波計(jì)算僅對(duì)單相 CCM 設(shè)計(jì)有效。

低頻和高頻紋波電流都不是電容量的函數(shù)。低頻電流是輸出功率的函數(shù)；它不是線電壓的函數(shù)。高頻紋波在低線路時(shí)最大，是線路、升壓電感和輸出功率的函數(shù)。