Hi，大家好，随着越来越多的电子设备接入电网，这大大的增加了电网的失真几率，也增加了配电网产生问题的风险。为了使得这些问题得到缓解，就需要电源设计需要先进的功率因素矫正（PFC）电路来满足严格的功率因素（PF）标准。『良好的功率因数校正电路对任何现代设计都至关重要，因为功率因数较差的设备效率也低下，而且会为电网带来不必要的压力，并可能给其他连网设备带来问题。
功率因数定义为设备能够传输到输出端的能量与其从输入电源处获取的总能量之比。它是电子设备设计的关键绩效指标，很多国家和国际组织都为此制定了相应的法规。例如欧盟定义了设备必须具备的最小功率因数或最大谐波水平，满足其标准才能在欧洲市场进行销售。功率因数低主要有两个原因：
- 位移：当电路的电压和电流波形异相时会产生位移，通常是由电感或电容等电抗元件引起的。
- 失真：波的原始形状发生改变，通常是由整流器等非线性电路引起的。这些非线性波包含很多谐波含量，会使电网中的电压失真。
位移对功率因数的影响相对较容易解决，因为电容使相位前移，而电感使相位后移。如果系统的电流波形滞后于电压，则只需在电路中添加一个具有适当阻抗的电容，即可将电流波形的相位前移，直至与电压同相，下图为无 PFC 的低 PF 功率传输和功率因数校正后的功率传输。
（图片来源：https://www.monolithicpower.cn/power-factor-correctionutm_source=zhihu&utm_medium=social&utm_campaign=2023_articlepromo&utm_content=202302_12；图片作者：MPS）
相比补偿线性电路中的位移因数，改善非线性电路中常出现的系统失真因数要复杂很多。一般有两种选择，一种是无源 PFC 在输入处添加滤波器来减少注入电网的谐波数量，它使用低通滤波器来滤除高次谐波。在实际应用中，这种方法改善设备功率因数的效率较低，也不适用于大功率方案，因为添加的电容和电感会造成效率、尺寸和重量方面的损耗。它通常不会用于功率超过数百瓦的应用。另一种是有源功率因数校正。这种方法可以改变电流波形的形状，使其跟随电压。 这样，谐波被移到更高的频率上，因而更容易被滤除。下面是几种常见的 PFC 拓扑及其各自的工作原理。
一、升压 PFC
最简单的升压 PFC 是最常见的功率因数校正拓扑由电感、晶体管和二极管组成。这种拓扑除了采用整流二极管桥将交流电压转换为直流电压之外，还包含了升压变换器。 升压变换器将电压提升至一个较高的值，这降低了输出电压纹波，同时将电流整形为正弦。
（图片作者：MPS 芯源系统；图片来源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/559361765）
下图是升压 PFC 拓扑的工作原理。
（图片作者：艾伊电源；图片来源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/606649655）
功率因数的校正仅通过一个升压变换器即可实现，但设计人员通常会将相互之间存在相移的两个或多个变换器并联连接使用。这种交错 PFC 连接可以提高效率，同时降低输入电流纹波。
（图片作者：MPS 芯源系统；图片来源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/559361765）
二、图腾柱无桥 PFC
将新型半导体材料尤其是碳化硅 （SiC） 应用于功率开关，可以使之前受制于硅的热特性与电特性而无法实现的设计变得可行。其中之一即为无桥图腾柱拓扑，该拓扑集成了整流和升压级，并提供两个以不同频率工作的开关支路。
（图片作者：MPS 芯源系统；图片来源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/559361765）
第一个分支称为慢速分支（SD1 和 SD2），以电网频率（例如 50Hz 至 60Hz 之间）换向。 它采用传统硅开关，主要负责对输入电压进行整流。第二个分支称为快速分支（Q1 和 Q2），主要在提升电压的同时对电流整形，该分支需要以极高的频率（约 100kHz）进行切换。具有较高频率的高功率切换会给开关带来更大的热应力和电应力，变换器需要利用宽禁带半导体器件（例如 SiC 和 GaN MOSFETS）才能安全高效地工作。下图为图腾柱无桥 PFC 拓扑的工作原理。
（图片作者：艾伊电源；图片来源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/606649655）
与交错式升压变换器相比，这种拓扑通常能改善性能。但额外的有源开关使控制电路变得更加复杂，这个问题通常可以采用集成式图腾柱控制器得到缓解。
三、交错图腾柱 PFC
为了提高无桥图腾柱 PFC 的效率，还可以添加额外的高频分支，创建交错式图腾柱 PFC。该额外分支可降低变换器的输出电压纹波，并将变换器的功率要求平均分配到所有分支，从而最大限度地减小布局尺寸，降低总成本。
（图片作者：MPS 芯源系统；图片来源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/559361765）
下图是交错图腾柱 PFC 拓扑的工作原理。
（图片作者：寺庙发型师；图片来源：https://www.bilibili.com/video/BV14j411V7Qq/?vd_source=8289a4d8deb8be90271e4305a3a880a2）
通过拓扑比较可以得出每种拓扑的常见特性。
然而，这些设计的性能在很大程度上取决于所选择的器件及其操作参数。因此，设计人员必须认真思考，合理选择设计，并针对应用审慎优化。
（作者：MPS 芯源系统资料来源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/559361765）
四、参考资料
【1】02常用PFC拓扑对比：https://zhuanlan.zhihu.com/p/606649655；
【2】PFC 拓扑比较：交错式升压拓扑与图腾柱拓扑：https://zhuanlan.zhihu.com/p/559361765；
【3】交错TCM PFC控制方式及其实现：https://www.bilibili.com/video/BV14j411V7Qq/?vd_source=8289a4d8deb8be90271e4305a3a880a2；
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