功率因數(shù)校正（PFC）對于使交流市電供電的設(shè)備（包括交流/直流電源，電池充電器，基于電池的能量存儲系統(tǒng)，電動機(jī)驅(qū)動器和不間斷電源）的效率#大化是必要的。它的重要性在于，存在規(guī)定特定類型的電子設(shè)備的#小功率因數(shù)（PF）級別的法規(guī)。
為了在不斷縮小的外形尺寸內(nèi)不斷面臨改善整體性能的壓力下滿足這些法規(guī)，設(shè)計(jì)人員正在轉(zhuǎn)向有源PFC設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)利用數(shù)字控制技術(shù)和寬帶隙變送器（例如碳化硅（SiC）和氮化鎵（ GaN）。
本文回顧了PF概念和定義，包括IEEE和IEC以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)之間的不同定義。然后，它介紹了STMicroelectronics，Transphorm，Microchip Technology和Infineon Technologies等供應(yīng)商提供的PFC解決方案，設(shè)計(jì)人員可以使用這些解決方案通過寬帶隙變送器和數(shù)字控制來實(shí)現(xiàn)PFC，包括使用評估板。
什么是功率因數(shù)校正，為什么需要它？
PF是系統(tǒng)無功功率水平的度量。無功功率不是真正的功率，而是代表彼此異相的伏特和安培的影響（圖1）。由于它們異相，因此它們無法有效地發(fā)揮作用，但仍然會成為交流市電電源線的負(fù)載。系統(tǒng)中的無功功率量是能量傳輸效率低下的一種度量。有源PFC使用功率電子器件來改變負(fù)載汲取的電流波形的相位和/或形狀，以改善PF。使用PFC可以提高整體系統(tǒng)效率。
在線性或非線性負(fù)載中，PF可能會變差。非線性負(fù)載會使電壓波形或電流波形或兩者同時失真。當(dāng)涉及非線性負(fù)載時，稱為失真PF。
線性負(fù)載不會使輸入波形的形狀失真，但會由于其電感和/或電容而改變電壓和電流之間的相對時序（相位）（圖2）。包含主要電阻性負(fù)載的電路（例如，白熾燈和加熱元件）的功率因數(shù)約為1.0，但是包含電感性或電容性負(fù)載的電路（例如，開關(guān)模式功聅hou黃鰨綞绱歐В溲蠱骱駝蛄髕鰨┛梢訮F遠(yuǎn)低于1.0。
大多數(shù)電子負(fù)載不是線性的。非線性負(fù)載的示例是開關(guān)模式功聅hou黃骱偷緇》諾縞璞福纈獾疲綰富虻緇÷Ｓ捎謖廡┫低持械牡緦鞅豢囟髦卸希虼說緦靼鈉德史至渴塹緦ο低稱德實(shí)謀妒Ｊд鍼F是負(fù)載電流的諧波失真會降低傳輸?shù)截?fù)載的平均功率多少的度量。
落后和lingxianPF的區(qū)別
PF滯后表示電流滯后（落后于電壓），PFlingxian表示電流滯后（lingxian于電壓）。對于電感負(fù)載（例如，感應(yīng)電動機(jī)，線圈和某些燈），電流滯后于電壓，從而產(chǎn)生滯后的PF。對于電容性負(fù)載（例如，同步電容器，電容器組和電子功聅hou黃鰨緦鞒暗繆梗賈魯癙F。
滯后或lingxian的區(qū)別并不等于正值或負(fù)值。PF值之前的負(fù)號和正號由所使用的標(biāo)準(zhǔn)（IEEE或IEC）確定。
PF和IEEE與IEC
圖4中的圖表顯示了IEEE和IEC標(biāo)準(zhǔn)的功率千瓦（kW），無功伏安（var），功率因數(shù)以及感性或容性負(fù)載之間的相關(guān)性。每個組織使用不同的指標(biāo)對PF進(jìn)行分類。
圖4：根據(jù)IEC（左），功率因數(shù)符號僅取決于實(shí)際功率流的方向，并且與電感性或電容性負(fù)載無關(guān)。根據(jù)IEEE（右），功率因數(shù)符號僅取決于負(fù)載的性質(zhì)（電容性或電感性）。在這種情況下，它與有功功率的方向無關(guān)。（圖片來源：施耐德電氣）
根據(jù)IEC（圖4的左側(cè)），PF符號僅取決于有功功率的方向，并且與電感性或電容性負(fù)載無關(guān)。根據(jù)IEEE（圖4的右側(cè)），PF符號僅取決于負(fù)載的性質(zhì)（電容性或電感性）。在這種情況下，它與有功功率方向無關(guān)。對于感性負(fù)載，PF為負(fù)。對于容性負(fù)載，PF為正。
PF標(biāo)準(zhǔn)
歐盟等監(jiān)管機(jī)構(gòu)已設(shè)定諧波限值以改善功率因數(shù)。為了符合當(dāng)前的歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN61000-3-2（基于IEC 61000-3-2），所有輸出功率超過75瓦的開關(guān)電源必須包括PFC。EnergyStar的80 PLUS電源認(rèn)證要求在100％額定輸出功率下的PF為0.9或更高，并且需要有源PFC。撰寫本文時，IEC標(biāo)準(zhǔn)的#新版本為：IEC 61000-3-2：2018，“電磁兼容性（EMC）-第3-2部分：限值-諧波電流發(fā)射限值（設(shè)備輸入電流≤16A）每個階段）。”
未經(jīng)校正的開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器不符合當(dāng)前的PFC標(biāo)準(zhǔn)。影響PF的一個考慮因素是使用哪種類型的AC輸入：單相或三相。未校正的單相開關(guān)電源的PF通常約為0.65至0.75（使用上述PF符號的IEEE約定）。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)設(shè)備使用整流器/電容器前端來產(chǎn)生直流總線電壓。這種配置僅在每個線路周期的峰值處汲取電流，從而產(chǎn)生狹窄的高電流脈沖，從而導(dǎo)致PF較差（請參見上面的圖3）。
三相未校正的開關(guān)模式功聅hou黃骶哂薪細(xì)叩腜F，通常接近0.85（也使用PF符號的IEEE約定）。這是因?yàn)榧词故褂谜髌?電容器來產(chǎn)生DC總線電壓，也有三相可以相加地改善整體PF。但是，如果不使用有源PF校正電路，則單相或三相開關(guān)模式功聅hou黃鞫嘉薹愕鼻暗腜F規(guī)定。
使用WBG變送器和數(shù)字控制設(shè)計(jì)有源PFC
數(shù)字控制技術(shù)和包括GaN和SiC的寬帶隙功率變送器的使用為設(shè)計(jì)人員提供了有源PFC電路的新選擇，與基于模擬控制或無源PFC設(shè)計(jì)的有源PFC設(shè)計(jì)相比，有源PFC電路可以提供更高的效率和更高的功率密度。
設(shè)計(jì)人員可以用高級數(shù)字控制技術(shù)代替模擬控制器，或者用包括微控制器在內(nèi)的其他數(shù)字控制元件來補(bǔ)充模擬控制，以實(shí)現(xiàn)#大的PFC性能。在某些情況下，WBG變送器也可用于改善PFC性能。
組件成本的下降加快了PFC兩種不同方法的實(shí)施：交錯設(shè)計(jì)和無橋設(shè)計(jì)。每種方法都會帶來不同的好處：
交錯式PFC的優(yōu)點(diǎn)：
效率更高
改善熱分布
降低通過PFC級的均方根電流
模塊化
無橋PFC的優(yōu)點(diǎn)：
效率更高
將輸入整流中的損失減半
改善熱分布
更高的功率密度
三通道交錯式PFC控制器結(jié)合了模擬和數(shù)字控制
意法變送器（STMicroelectronics）的STNRGPF01控制器是一種可配置的ASIC，結(jié)合了數(shù)字和模擬控制，并可以在交錯的PFC中驅(qū)動多達(dá)三個通道（圖5）。該設(shè)備在固定頻率下以平均電流模式控制以連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）工作，并實(shí)現(xiàn)混合信號（模擬/數(shù)字）控制。模擬內(nèi)部電流環(huán)路由硬件執(zhí)行，以確保逐周期調(diào)節(jié)。外部電壓環(huán)路由具有快速動態(tài)響應(yīng)的數(shù)字比例積分（PI）控制器執(zhí)行。
圖5：STNRGPF01的功能框圖顯示了三相交錯式PFC應(yīng)用中的內(nèi)部模擬控制部分（紅色）和外部數(shù)字控制部分（綠色）。（圖片來源：意法變送器）
STNRGPF01實(shí)施了靈活的相位削減策略，該策略可根據(jù)實(shí)際負(fù)載條件啟用正確數(shù)量的PFC通道。借助該功能，STNRGPF01始終能夠在各種負(fù)載電流要求下保證#高的功率效率。
該控制器具有多種功能：浪涌電流控制，軟啟動，突發(fā)模式冷卻管理和狀態(tài)指示。它還具有全套嵌入式保護(hù)功能，可防止過壓，過流和熱故障。
為了幫助設(shè)計(jì)人員入門，意法變送器還提供了基于STNRGPF01的STEVAL-IPFC01V1 3 kW PFC電源管理評估板（圖6）。功能和規(guī)格包括：
輸入電壓范圍：90至265 V AC
線路頻率范圍：47至63赫茲（Hz）
#大輸出功率：230伏特時為3千瓦
輸出電壓：400伏
PF：20％負(fù)載時> 0.98
總諧波失真：在20％負(fù)載下<5％
混合信號控制
開關(guān)頻率：111千赫茲（kHz）
逐周期調(diào)節(jié)（模擬電流控制回路）
輸入電壓和負(fù)載前饋
相脫落
突發(fā)模式操作
圖6：STEVAL-IPFC01V1框圖，顯示：1. I / O測量信號；2.模擬電路；3.功率級；4.數(shù)字控制部分，帶STNRGPF01數(shù)字控制器；在三相交錯式PFC中。（圖片來源：意法變送器）
除STNRGPF01混合信號控制器外，該評估板還包括STW40N60M2 N通道，600伏，34安培（A）低Qg硅功率MOSFET和PM8834TR柵極驅(qū)動器IC。
具有GaN FET的無橋圖騰柱PFC
開發(fā)了無橋PFC拓?fù)湟韵c使用二極管橋式整流相關(guān)的電壓降和效率低下的問題。WBG功率變送器（例如GaN和SiC）的出現(xiàn)使無橋圖騰柱PFC成為可能（圖7）。在傳統(tǒng)的圖騰柱設(shè)計(jì)（a）中，兩個GaN FET和兩個二極管用于線路整流。在無橋圖騰柱修改（b）中，二極管被兩個低電阻硅MOSFET取代，以取代二極管的電流-電壓（IV）下降以提高效率。
圖7：在傳統(tǒng)圖騰柱設(shè)計(jì)中，兩個GaN FET和兩個二極管用于線路整流（a）；在改進(jìn)的電路（b）中，二極管被兩個低電阻硅MOSFET取代，以取代二極管的電流-電壓降，從而提高了無橋圖騰柱的效率。（圖片來源：Transphorm）
與硅MOSFET相比，GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）的反向恢復(fù)電荷（Qrr）小得多，這使得無橋圖騰柱設(shè)計(jì)變得切實(shí)可行（圖8）。在CCM中圖騰柱PFC的簡化示意圖中，重點(diǎn)在于#小化傳導(dǎo)損耗。
圖8：CCM模式下圖騰柱PFC的簡化示意圖包括兩個以高脈沖寬度調(diào)制頻率工作并用作升壓轉(zhuǎn)換器的快速開關(guān)GaN HEMT（Q1和Q2），以及兩個非常低電阻的MOSFET（S1和Q2） S2）以較慢的線路頻率（50Hz / 60Hz）運(yùn)行。（圖片來源：Transphorm）
該電路包括兩個快速開關(guān)的GaN HEMT（Q1和Q2）和兩個非常低電阻的MOSFET（S1和S2）。Q1和Q2以高脈寬調(diào)制（PWM）頻率工作，并用作升壓轉(zhuǎn)換器。S1和S2在較慢的線路頻率（50 Hz / 60 Hz）下運(yùn)行，并用作同步整流器。初級電流路徑僅包括一個快速開關(guān)和一個緩慢開關(guān)，沒有二極管壓降。S1和S2的作用是同步整流器，如圖8（b）和8（c）所示。在正交流周期中，S1接通而S2關(guān)斷，迫使連接到負(fù)極端子的交流中性線進(jìn)入直流輸出。負(fù)周期則相反。
設(shè)計(jì)人員可以使用Transphorm的TDTTP4000W066C 4 kW無橋圖騰柱PFC評估板來研究電路的工作情況。它使用Microchip Technology的MA330048 dsPIC33CK256MP506數(shù)字電源插入模塊（PIM）作為控制器。Transphorm的Gen IV（SuperGaN）TP65H035G4WS GaN FET可實(shí)現(xiàn)非常高效率的單相轉(zhuǎn)換。在電路的快速開關(guān)腳中使用Transphorm GaN FET，在電路的慢速開關(guān)腳中使用低電阻MOSFET可以提高性能和效率。
雙向圖騰柱PFC結(jié)合了硅FET和SiC FET
對于電網(wǎng)交互式電池電動汽車和基于電池的儲能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員，英飛凌提供了EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1評估板，一個具有雙向功率功能的3300瓦圖騰柱PF校正器（圖9）。這種無橋圖騰柱PFC板的功率密度高達(dá)每立方英寸72瓦。EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1板上實(shí)現(xiàn)的圖騰柱在CCM下以整流器（PFC）和逆變器模式工作，并使用Infineon XMC1000系列微控制器實(shí)現(xiàn)全數(shù)字控制。
圖9：EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 3300瓦圖騰柱PFC評估板的框圖顯示了拓?fù)洌撏負(fù)淇商峁┰u估板指定的每立方英寸功率密度72瓦。（圖片來源：英飛凌科技公司）
該圖騰柱PFC結(jié)合使用了英飛凌的IMZA65R048M1 64毫歐（mΩ），650伏，CoolSiC SiC MOSFET及其IPW60R017C7 17mΩ，600伏，CoolMOS C7硅功率MOSFET的組合。該轉(zhuǎn)換器僅在CCM的高電壓線路（#小176伏rms，標(biāo)稱230伏rms）下工作，開關(guān)頻率為65 kHz，在半負(fù)載時效率高達(dá)99％。在此3300瓦雙向（PFC / AC-DC和逆變器/ AC-DC）圖騰柱解決方案中使用的其他Infineon設(shè)備包括：
2EDF7275FXUMA1隔離式柵極驅(qū)動器
帶有IPU95R3K7P7 950伏CoolMOS P7 MOSFET的ICE5QSAGXUMA1 QR反激控制器，用于偏置輔助電源
XMC1404微控制器，用于PFC控制實(shí)現(xiàn)
結(jié)論
PF低會導(dǎo)致公用電網(wǎng)和電源轉(zhuǎn)換器的效率低下，使得PFC對于各種交流電源設(shè)備都是必需的，法規(guī)規(guī)定了特定類型電子設(shè)備的#低PF級別。為了滿足這些法規(guī)要求，同時滿足對更小尺寸和更高性能的需求，設(shè)計(jì)人員需要一種簡單，低成本無源PFC技術(shù)的替代產(chǎn)品。
如圖所示，設(shè)計(jì)人員可以改為使用數(shù)字控制技術(shù)和WBG變送器（例如SiC和GaN）來實(shí)現(xiàn)有源PFC設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)更高的PF和更緊湊的設(shè)計(jì)。
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