利用 PFC 电路减少谐波失真
概述
日常生活中，大家会发现工业用电电费会高于居民用电电费。从技术角度来解答是因为工业用电传输成本高，由于工业应用中的用电设备多为大功率电感或容性负载，其功率因数相对居民用电设备的功率因数较低，从而导致无功功率较高，损耗大，因此供电成本相对较高。而居民用电普遍为中小功率设备，耗电小，功率因数高，无功功率损耗少。
本文将介绍功率因数（PF）和总谐波失真 (THD) 的概念，并回顾如何利用功率因数校正 (PFC) 电路和 PFC 控制器来实现高功率因数并减少谐波失真。
交流电的功率因数
功率因素PF (λ) 是指有功功率 (P) 与视在功率 (S) 之间的关系，其中总功耗等于 V x I。λ 为P 与 S 的比值，可用公式 (1) 来估算：
$$\lambda = P / S$$无功功率 (Q)、S 和 P 之间的关系可以用公式 (2) 来表示：
$$S = \sqrt{P^2 + Q^2}$$PF 用于衡量有多少电力被有效利用。PF 值越大，表示其电力的利用率越高。
在交流输入电网中，PF 可以根据实际工作波形来表征，并用公式 (3) 来估算：
$$\lambda (PF) = \cos \varphi \times \frac {1}{\sqrt{1+\mathit{THD^2}}}$$影响 PF 的两个主要因素是 cos (φ) 和 THD。φ为输入交流电压波形和负载电流波形之间的相位差，如图1所示。
图 1：输入交流电压波形和负载电流波形之间的相位差
总谐波失真（THD）是指由谐波引起的输入电流失真程度。图 2 显示了输入交流电压和负载电流之间的 THD。
图 2：输入交流电压和负载电流之间的 THD
通过公式 (4) 可以计算失真：
$$Distortion : \frac {1}{\sqrt{1+\mathit{THD^2}}}$$交流电网中的谐波是相对于基波而言的。例如一个 频率为 50Hz的220VAC 的正弦电压施加于一个非线性负载。通过傅里叶级数可知，失真的输入电流波形由每个谐波分量的相加而成。THD 相当于二次以上谐波分量的 RMS 值和基波分量的 RMS 值比值的方和根。
失真输入电流波形的总谐波失真计算如图3所示。
图 3：总谐波失真的计算
失真度越大，THD值越大，PF值则越小。为了提高用电效率，业界针对各种电气设备的谐波电流要求制定了相应的国际标准，例如IEC 61000-3-2和EN 61000-3-2。
利用电路来实现高功率因数校正 (PFC)
图 4 显示了没有功率因数校正的一般电路图。其整流桥后只有电容滤波，它直接给负载设备供电。这导致输入电流的导通角非常小，PF 很差，最后获得的输入电流波形也严重失真。
图 4：没有功率因数校正的电路图
图 5 显示了无功率因数校正的电路电压和电流波形。
图 5：无功率因数校正的电路电压和电流波形
现代AC/DC电源中，功率因数校正（PFC）电路主要采用有源功率因数校正（APFC）电路。APFC电路由电感、电容和半导体开关器件组成。它体积小，而且通过专用IC根据正弦电压波形的变化来控制电流。其电流正弦度高，PF值可达0.99，非常接近最优值1。
图 6 显示了一个典型的升压（Boost） APFC 电路，该电路通过一个高频开关控制电感电流波形。
图 6：升压 APFC 电路图
图 7 显示了升压 APFC 电路的输入电流波形和电压波形。
图 7：升压 APFC 电路的输入电流波形和电压波形
图 8 显示了一个典型的升压 APFC 电路示例，用来实现输入电流的正弦度。L1、D4、Q1 和 C6（红色虚线框内）构成升压 APFC 电路的主电源，FB 为输出电压 (VOUT) 反馈，MULT 表示输入正弦波相位跟踪，CS则为电感电流采样信号。
图 8：用于实现输入电流正弦度的升压 APFC 电路
在开关周期内，通过FB检测 VOUT，并将误差放大后得到的COMP值与MULT引脚信号相乘，得出正弦参考值。该参考值将周期性地与电感电流采样信号进行比较，以完成 MOSFET 开关的关断逻辑。
待ZCS 引脚检测到升压电感电流降至 0A 后，将触发 MOSFET 开关的开通逻辑，从而完成完整的开关周期。此外，C1电容对电感电流进行平滑滤波，使输入电流波形更趋近正弦，也更平滑。从而实现校正 PF获得接近 1 的高 PF 值。
APFC 电路采用典型的临界电流控制模式，这种控制模式在 300W 以内的电源设计中很常见。对更大功率的应用而言，则需选择连续导通模式 (CCM) PFC 电路。当对轻载效率有要求时，增加非连续导通模式（DCM）将有效降低工作频率，以此改善开关损耗与EMI。
结语
本文讨论了 PF 和 THD 之间的关系，以及如何利用升压 APFC 电路获得高 PF 值。在电源设计中集成 PFC 电路可以最大限度地减少总谐波失真并提高电源利用率，从而降低整体电源成本。
MPS 提供的一系列 PFC 控制器产品可以满足谐波电流的要求并提高电源质量。这些 PFC 控制器均采用专有封装技术和高效率的集成设计。
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