低功率因數(shù)通常意味著輸入電流質(zhì)量差和效率低下，這會(huì)給供應(yīng)商、消費(fèi)者或兩者帶來成本負(fù)擔(dān)。在交流系統(tǒng)中，低功率因數(shù)通常來自遭受失真的輸入電流波形，這就是為什么一些國(guó)際電氣標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電源電流中的諧波含量有嚴(yán)格限制，以及為什么有源或無源功率因數(shù)校正幾乎是強(qiáng)制性的。一些情況。

理想交流系統(tǒng)中的功率因數(shù)

在正弦交流系統(tǒng)中，功率因數(shù)只是電氣系統(tǒng)用于產(chǎn)生功的有功功率與總視在功率之間的比率，其中包括由負(fù)載產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng)產(chǎn)生的無功阻抗引起的有功功率和無功功率。無功阻抗導(dǎo)致電流波形滯后電壓波形一個(gè)稱為相移角的余量，因此我們可以將功率因數(shù)表示為電壓和電流波形之間的相移角的余弦，并得出結(jié)論，功率因數(shù)接近最大值隨著電流波形和電壓波形之間的相移角向零減小，則為 1。

圖 1：確定作為相移函數(shù)的功率因數(shù)

實(shí)際交流系統(tǒng)中的諧波失真

在實(shí)際交流電源中，輸入電流通常是一個(gè)復(fù)雜的信號(hào)，帶有多個(gè)諧波分量，而初級(jí)或基波（與電路電壓同相）提供有功功率，而其他諧波則攜帶大量不可用的能量。

圖 2：成分諧波的復(fù)合波形

因此，一種方法是從失真因數(shù)推導(dǎo)出實(shí)際系統(tǒng)中的功率因數(shù)，該失真因數(shù)基于基波分量之上的所有附加諧波的總和，或總諧波失真 （THD）。因此，PFC 轉(zhuǎn)換器的作用是被動(dòng)調(diào)整或主動(dòng)重建輸入交流電流波形，使它們?cè)谙辔缓托螤罘矫娓咏妷盒盘?hào)，并且沒有不需要的諧波。

當(dāng)今交流系統(tǒng)中的 PFC 轉(zhuǎn)換器

功率因數(shù)校正基于開關(guān)器件（MOSFET、IGBT 等），通過快速切換 PFC 電感器上的電流來塑造輸入平均電流波形。PFC 控制器比較電路反饋和參考信號(hào)，以確定開關(guān)器件的開啟和關(guān)閉持續(xù)時(shí)間，從而對(duì)相應(yīng)的 PFC 電感器進(jìn)行充電和放電。PFC 電感器上的瞬時(shí)電流中的振蕩被定時(shí)以在平均電感器電流中產(chǎn)生小的凈增加和減少，PFC 控制器隨著時(shí)間的推移對(duì)其進(jìn)行管理以產(chǎn)生所需的正弦波形。

圖 3：高頻開關(guān)形成的平均電感波形

PFC 階段的交錯(cuò)

在高功率應(yīng)用中，將 PFC 級(jí)劃分為兩個(gè)或多個(gè)并行 PFC 電路通常是有益的，該過程稱為交錯(cuò)。雖然交錯(cuò)增加了電路元件的數(shù)量，但每個(gè)通道中較低的電流和較低的開關(guān)頻率可實(shí)現(xiàn)更好的整體功率和熱量管理、更高的效率，并且由于所需的電感器明顯更小，實(shí)際上可以降低成本。

圖 4：來自三個(gè)交錯(cuò)通道的總 PFC 電流

由于 PFC 控制器能夠生成驅(qū)動(dòng)各個(gè)相位通道的單獨(dú) PWM 輸出，因此可以實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)。這些控制器上的固件將始終包含切相邏輯，以在功率要求相對(duì)較低時(shí)限制使用的通道數(shù)量。

交流系統(tǒng)中的高級(jí)數(shù)字 PFC 控制器

用于現(xiàn)代轉(zhuǎn)換器的數(shù)字 PFC 控制器隨著替代復(fù)雜模擬電路的嵌入式功能的增加以及更大的靈活性和工作范圍不斷發(fā)展。另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于這些控制器上的可編程和可配置固件，它使解決方案設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崿F(xiàn)自己的邏輯并設(shè)置特定于應(yīng)用程序的參數(shù)，以使轉(zhuǎn)換器活動(dòng)與特定設(shè)計(jì)要求保持一致。

例如，新的STNRGPF01能夠管理來自幾乎任何標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際輸入電源電壓的高達(dá) 3 kW 的負(fù)載。該控制器實(shí)施全面的電源和負(fù)載監(jiān)控，以實(shí)現(xiàn)高響應(yīng)性能和安全管理，以及 3 通道交錯(cuò)，以顯著提高整體轉(zhuǎn)換器效率并降低主電感器的成本和尺寸，這在大功率應(yīng)用中可能相當(dāng)昂貴。ST STNRG 數(shù)字控制器系列的另一款 IC 是最近發(fā)布的STNRGPF12，它可以通過兩通道交錯(cuò)管理高達(dá) 2 千瓦的負(fù)載，并具有數(shù)字浪涌電流控制功能，可在電流尖峰可能損壞電路時(shí)對(duì)微妙的啟動(dòng)階段進(jìn)行出色管理元素。

下一代 AC 設(shè)計(jì)中的 ST 評(píng)估板和 eDesignSuite

ST 擁有一系列 PFC 和隔離式 DC-DC 數(shù)字 SMPS 板和套件，可讓您探索和評(píng)估專為高端工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)的全功能解決方案。STEVAL-IPFC01V1 3 kW 三通道交錯(cuò)式 PFC 評(píng)估板的圖片立即展示了其高度緊湊的設(shè)計(jì)和非常高的功率密度，同時(shí)突出了高端 PFC 轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)重要設(shè)計(jì)方面，即包含某些模擬電路確保高頻開關(guān)應(yīng)用中的最大控制。

事實(shí)上，STEVAL-IPFC01V1和更新的STEVAL-IPFC12V1具有模擬傳感元件和比較器，可將瞬時(shí)波形信息直接反饋回 STNRG 數(shù)字控制器，以實(shí)現(xiàn)逐周期電流調(diào)節(jié)，即使在極高的開關(guān)頻率下也是如此電路。

最后，ST 在其網(wǎng)站上提供了一個(gè)名為eDesignSuite的出色設(shè)計(jì)工具，其中包括一個(gè) PFC 轉(zhuǎn)換器部分，可以真正幫助您在設(shè)計(jì)階段提高生產(chǎn)力。該軟件不僅能夠根據(jù)您的設(shè)計(jì)參數(shù)開發(fā)具有材料清單和原理圖的完整解決方案，而且還可以生成自定義固件，然后您可以將其上傳到您的 STNRG 數(shù)字 PFC 控制器，以滿足您的特定應(yīng)用需求。

審核編輯：郭婷