在如今的大多數(shù)AC電壓輸入電源應用場合，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電壓之后會帶一個整流電路，整流后的電路進入DC/DC轉換電路后，通過高頻開關的動作，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。在電網中，拉出這樣的電流，會導致網絡的損耗，導致產生大量諧波，并且對外產生輻射等，功率較大時，這個影響會更大，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，它是由于電網負載的瞬態(tài)功率導致的畸變。

圖2 導致電流諧波的源頭

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

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

所以，我們首先想到的一個問題，就是如何減小這個諧波的不良影響。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，表示電網實際消耗的功率，主要表現(xiàn)在變?yōu)楣?，熱，或者動能的結果的部分，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。

無功功率產生主要是由于以下原因：

1. 電壓和電流之間存在的相移，導致存在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，是表征一個系統(tǒng)的節(jié)能指標，PF值越大越好。

圖4 功率因數(shù)概念PF值

所以，經上述分析，PFC電路的目標，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，同時也提高了電網的容量，可以更好的服務更大功率的負載。

經過改善PF值后的電源，在電網看來，從電源輸入端看上去，就表現(xiàn)得像一個線性電阻特性一樣，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系

三．如何實現(xiàn)PFC

雖然電路中具有電感，電容，開關等電抗性器件，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，我們可知在單個開關周期內電感電流不變，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AC轉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電壓轉化為單向的電壓，進而進入PFC電路，PFC電路通過電路斬波PWM控制,產生穩(wěn)定的輸出電壓DC輸出，且讓輸入電流跟隨輸入電壓，基于這個目標，PFC電路需要采樣三個電參數(shù)，輸入交流電壓，輸出直流電壓，輸入電流進行控制算法設計。

圖8 PFC電路的基本結構框圖

圖9 boost PFC電路

當PFC采用boost電路時，如圖9所示結構，此電路結構中，控制開關的耐壓取決于輸出電壓，輸入電壓和輸出電壓的關系是升壓關系。

圖10 boost PFC電路的波形

Boost電路的輸入電流波形，當控制為CCM模式時，由于電感電流是一個連續(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PFC電路以buck形式實現(xiàn)時，控制開關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系。

圖12 buck PFC電路的波形

Buck電路的輸入電流就是控制開關的電流，由于控制開關高頻工作，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。

當采用數(shù)字控制去控制boost PFC電路時，可以給設計帶來很多好處，如控制算法靈活實現(xiàn)，可以靈活的改變軟件適應客戶需求，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，簡要分析PFC的必要性和PF相關的基本概念，及PFC基本拓撲的討論，為后續(xù)進行PFC的數(shù)字化奠定基礎。