PFC 的应用及基础线路 电网发展史
为什么需要 PFC
实现 PFC 的方式
在早期开关电源中实现 PFC 的方式，主要通过一个电感来延后由于高压电容带来的电流超前效应，达到电流和相位和电压相位一致的目的，“电感补偿式”的功率因数只能达到 0.7～0.8，它一般在高压滤波电容附近。  PC 电源中的 PFC 电感 （图片来自网络）
通过二极管将电容变成串联充电，并联放电方式，使电流波形尽量接近电压的线路。该线路缺点是 THD 较高。
无 PFC 输入电流波形 填谷后的电流波形（蓝色）
 当 S 闭合时候电流流经电感，进行储能，当 S 断开后，电感自感电动势和 Vi 叠加通过 D向输出电容 C 充电并向负载 R 提供能量。 当 S 再次闭合后，电感再次储能，电容 C 向负载电阻 R 释放能量。
 峰值电流模式 DCM PFC 基本架构
 此种模式主要是当 AC 输入后，经桥式整流而成的类似 m 形的电压波形，经 R5、R6 分压后，再和一个经由误差放大器（Error Amplifer) 放大后的输出信号 Vc 相乘,此举是为了给流经 Rs 的峰值电流一个参考比较的电压 Vm ，并且这个电压会随着输入和输出的电压大小而作调整，其中输出电压经由电阻 R3 和 R4 分压后， 经由误差放大器负反馈至乘法器输入端，可使当负载改变时，输出电压仍能保持稳定。其中较需注意的是，误差放大器在作闭环回路补偿时，其增益频宽要比六分之一倍的市电频率还要低，以避免干扰 PFC 电路的主要功能，所以 C1 和 C2 的值通常都不小，约为 uF 级的电容。当乘法器输出 Vm 时，同一时刻的电压波形仍是一个类似 m 形的波形，只是它是已被整理过的参考电压波形，进而输入比较器的正输入端，而与比较器的负输入端 Q 的 S 极电流的波形（即压降在 Rs 上的电压波形 Vs）作比较,来控制 Q 的开与关。 起初，当 Q 导通时，输入的直流高压 Vd 对 L 充电，使电感的电流 ζL 上升（如图四中电感电流波形的 a 到 b 点），此时 Rs 上的电压 Vs 也上升，直到 Vs=Vm 时（即 b 点），由于此时比较器（ Current 输入端，故 RS 触发器（RS Flip-Flop）的 R 输入端为低电位， Comp）的反相输入端电压高于正相，而此时 S 端为高电位，使触发器输出为高电位，使 Qd 导通，而 Vg 为低电位，Q 为截止的状态，电感上电压VL 反相，加上输入电压 Vd 使二极管 D 导通，开始对输出 RL 和 C5 放电（图中的 b 到 c 点），此时负载 RL 仍保持在高电位，而电容 C5 则承受电感放电而呈充电状态，直到电感放电到 ζ 值为 0（c 点）为止。当电感电流 ζL 为 0 时，RS 触发器的 S 端输入低电平， 而 R 端为高电位（因为 Vm>Vs），此时触发器的 L Q 输容来滤除电感电常用的控制模式是所谓的平均电流控制模式，其控制模式电路如图五所示。 图中的 Vin 为直流电压而 Ip 为六所示。 其中放电状态，故电感电流 ζL 下降（b 到 c 段），到 c 点时，Vs 小于 Vc， 而复始，以电流放大器的电流波形和锯齿波相偶数段时，Vc 和 Vs 都是正斜率， 出为低电位，使 Qd 截止，Q 的 VGS 为高电位，于是 Q 导通，电感的电压 VL 为正向，输入电压 Vd 供应电流流过电感 L 和 Q，对电感 L 充电，故流经电感 L 的电流又继续上升，直到三角波电压 Vs 又碰到 m 形波 Vm 为止（c 到 d 段），如此反复，电路以此种峰值电流控制模式的方法来得到 ζL 电流波形。 ζL 的波形是由许多大小三角波所组成，它毕竟不是正弦波，故电路中必须加装一个 C3 电流中的高频成分，而使输入弦波电流ζ为完整的基本弦波成分，其大小为电感电流 ζL 的平均值。基本上的 ζL 峰值大概为电流 ζ 峰值的 2 倍，这可作为选择 Q 的耐电流量参考。
 平均电流模式 CCM PFC 基本架构
 其中 Q 的栅极受控于 PWM 比较器的 Vs 电压和Vc 电压的比较结果，当 Vs 大于 Vc 时，比较器输出为低电位，而 Vs 小于 Vc 时，比较器输出为高电位，因此电路刚开始运作时，Vs 小于 Vc，此时比较器输出高电位，Q 导通，如图五中 Vin 循着虚线路径向电感 L 充电，故电感电流 ζL 上升（a 到 b 段），到 b 点时，由于 Vs 大于 Vc 时，比较器输出由高电位变成低电位，Q截止，Vin 电压加于电感L的反向电压经二极管D 向电容 C 充电，并供应电压给负载（如图中灰色路线），此时电感 L为放电状态。故电感电流 ζL下降（ b 到 c 段），到 c 点时候，Vs 小于 Vc，此时比较器又输出高电位，使 Q 再度导通。如此周而复始。以电感放大器的电流波形和锯齿波相互比较而产生 Q 的驱动波形，达到以平均电流来控制负载电压的目的。整个过程中 Doff=Vin/Vout ,因此无需对输入电压进行采样，就可以得到较高 PF值。
交错式 PFC，在进行更大功率和更高效率线路中使用的时候，单级的 PFC 线路已经不能满足需要，因此需要多个 PFC 线路并联使用，便出现了交错 PFC 的架构。 在原来 PFC 线路基础上，通过共用电压环，电流环路独立并独立的 OCP 保护，将两个PFC 驱动部分相位相移 180°，以在较大功率的时候，减少输入纹波和输出纹波的目的。实际调试线路时候可以看做两个独立的 PFC 线路的并联。 交错 PFC 架构
无桥交错式 PFC，在更大功率的电源需求中，整流桥的损耗已经不可忽略，因此会考虑在输入端不再考虑使用普通二极管作为整流线路，取代二极管的是采用 MOS 实现的同步整流线路。在实际应用线路中发现 PFC 的功率开关可以使用整流桥臂上的 MOS 代替，因此可以节省 MOS 的应用并且减少驱动数量和简化线路降低损耗。因此出现了无桥 PFC 和无桥交错PFC。
参考文献:《开关电源原理与设计》 作者：张占松 蔡宣三 |
