【導讀】日常生活中，大家會發現工業用電電費會高于居民用電電費。從技術角度來解答是因為工業用電傳輸成本高，由于工業應用中的用電設備多為大功率電感或容性負載，其功率因數相對居民用電設備的功率因數較低，從而導致無功功率較高，損耗大，因此供電成本相對較高。而居民用電普遍為中小功率設備，耗電小，功率因數高，無功功率損耗少。
本文將介紹功率因數（PF）和總諧波失真 (THD) 的概念，并回顧如何利用功率因數校正 (PFC) 電路和 PFC 控制器來實現高功率因數并減少諧波失真。
交流電的功率因數
功率因素PF (λ) 是指有功功率 (P) 與視在功率 (S) 之間的關系，其中總功耗等于 V x I。λ 為P 與 S 的比值，可用公式 (1) 來估算：
無功功率 (Q)、S 和 P 之間的關系可以用公式 (2) 來表示：
PF 用于衡量有多少電力被有效利用。PF 值越大，表示其電力的利用率越高。
在交流輸入電網中，PF 可以根據實際工作波形來表征，并用公式 (3) 來估算：
影響 PF 的兩個主要因素是 cos (φ) 和 THD。φ為輸入交流電壓波形和負載電流波形之間的相位差，如圖1所示。
圖 1：輸入交流電壓波形和負載電流波形之間的相位差
總諧波失真（THD）是指由諧波引起的輸入電流失真程度。圖 2 顯示了輸入交流電壓和負載電流之間的 THD。
圖 2：輸入交流電壓和負載電流之間的 THD
通過公式 (4) 可以計算失真：
交流電網中的諧波是相對于基波而言的。例如一個 頻率為 50Hz的220VAC 的正弦電壓施加于一個非線性負載。通過傅里葉級數可知，失真的輸入電流波形由每個諧波分量的相加而成。THD 相當于二次以上諧波分量的 RMS 值和基波分量的 RMS 值比值的方和根。 失真輸入電流波形的總諧波失真計算如圖3所示。
圖 3：總諧波失真的計算
失真度越大，THD值越大，PF值則越小。為了提高用電效率，業界針對各種電氣設備的諧波電流要求制定了相應的國際標準，例如IEC 61000-3-2和EN 61000-3-2。
利用電路來實現高功率因數校正 (PFC)
圖 4 顯示了沒有功率因數校正的一般電路圖。其整流橋后只有電容濾波，它直接給負載設備供電。這導致輸入電流的導通角非常小，PF 很差，最后獲得的輸入電流波形也嚴重失真。
圖 4：沒有功率因數校正的電路圖
圖 5 顯示了無功率因數校正的電路電壓和電流波形。
圖 5：無功率因數校正的電路電壓和電流波形
現代AC/DC電源中，功率因數校正（PFC）電路主要采用有源功率因數校正（APFC）電路。APFC電路由電感、電容和半導體開關器件組成。它體積小，而且通過專用IC根據正弦電壓波形的變化來控制電流。其電流正弦度高，PF值可達0.99，非常接近最優值1。
圖 6 顯示了一個典型的升壓（Boost） APFC 電路，該電路通過一個高頻開關控制電感電流波形。
圖 6：升壓 APFC 電路圖
圖 7 顯示了升壓 APFC 電路的輸入電流波形和電壓波形。
圖 7：升壓 APFC 電路的輸入電流波形和電壓波形
圖 8 顯示了一個典型的升壓 APFC 電路示例，用來實現輸入電流的正弦度。L1、D4、Q1 和 C6（紅色虛線框內）構成升壓 APFC 電路的主電源，FB 為輸出電壓 (VOUT) 反饋，MULT 表示輸入正弦波相位跟蹤，CS則為電感電流采樣信號。
圖 8：用于實現輸入電流正弦度的升壓 APFC 電路
在開關周期內，通過FB檢測 VOUT，并將誤差放大后得到的COMP值與MULT引腳信號相乘，得出正弦參考值。該參考值將周期性地與電感電流采樣信號進行比較，以完成 MOSFET 開關的關斷邏輯。
待ZCS 引腳檢測到升壓電感電流降至 0A 后，將觸發 MOSFET 開關的開通邏輯，從而完成完整的開關周期。此外，C1電容對電感電流進行平滑濾波，使輸入電流波形更趨近正弦，也更平滑。從而實現校正 PF獲得接近 1 的高 PF 值。
APFC 電路采用典型的臨界電流控制模式，這種控制模式在 300W 以內的電源設計中很常見。對更大功率的應用而言，則需選擇連續導通模式 (CCM) PFC 電路。當對輕載效率有要求時，增加非連續導通模式（DCM）將有效降低工作頻率，以此改善開關損耗與EMI。
結語
本文討論了 PF 和 THD 之間的關系，以及如何利用升壓 APFC 電路獲得高 PF 值。在電源設計中集成 PFC 電路可以最大限度地減少總諧波失真并提高電源利用率，從而降低整體電源成本。
MPS 提供的一系列 PFC 控制器產品可以滿足諧波電流的要求并提高電源質量。這些 PFC 控制器均采用專有封裝技術和高效率的集成設計。
來源：MPS
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