功率因数校正

我们现在回到无功功率去了哪里的问题。输入电压和电流均方根 (RMS) 波形是正弦波，可以分解为含有基波和一系列以基波频率为倍数的谐波的无穷级数的周期函数（这些谐波称为傅立叶级数 [2]）。偶次谐波相互抵消，因此所有这些谐波能量仅在奇次谐波处可见。大多数会出现在三次谐波（即基频之后的第一个奇次谐波），并且随着级数上升而减少。这些谐波会导致输入电压和电流波形失真，其总和称为总谐波失真 (THD)。

较低的 PF 意味着输入线路上的失真较大，这就是为什么在同一输入电路上安装多个电源的最低额定PF要求会比较高。注意：满足所有相关法规的电源解决方案如果有太多单元时仍可能对电力线质量造成影响。即使 PF 非常高（>0.98），如果无功组件数量太多，累积起来的效应不容忽视。

要看到多远的频率是由基频决定，但它可能很容易扩展到无线电频率 (RF)。由于这种射频能量以传导（返回线路）和辐射（进入空间）电磁能量的形式发射，因此有国际标准或法规来规范特定频率的电磁能发射限制。下表总结了其中一些参考资料以及来源。大多数人关注电磁干扰 (EMI) 的电磁兼容性 (EMC) 限制，因此可以查看各种频率范围和限制以了解它们所面临的问题。



虽然有点离题，但应该要注意射频辐射的影响是双向的。虽然大部分的注意力都放在确保被测系统或被测设备 (DUT) 的 EMC，但 DUT 也容易受到来自环境的外部射频的影响。这种敏感性的例子是高能辐射粒子（通常来自太空）的轰击，这促使设计人员在设计中包含抗扰度（例如在这个例子就是抗辐射）并执行敏感性测试作为认证过程的一部分。

如果您还记得我们的 CIVIL 助记符所述，电容导致电流波形超前于电压波形而电感反之，这意味着我们可以将相位角向一个方向或另一个方向移动以追求最大 PF。在电源输入端直接使用这些能量存储组件称为无源 PFC。使用带有半导体开关的组件称为有源 PFC（基本上是在输入端增加一个额外的开关电源）。

最简单的无源 PFC 电路是在电源的整流阶段之前添加一个串联电感（也称为 PFC 扼流圈），其波形如下图所示。虽然这个方法很简单，但它的缺点是通常需要更大更重的电感器，以及将可实现的最大 PF 限制在 ~0.7（没有任何 PFC 为 ~0.4）。此外，PFC 扼流圈的尺寸必须针对有限的输入电压范围，因此不适合支持全球通用交流输入因为会导致更大更重的解决方案。

有源 PFC 解决方案减轻了刚才提到的大部分缺点。有源 PFC 最常见的拓扑是升压型转换器。在此类电源转换中，有少数拓扑用来实现有源 PFC（例如非连续导通模式(DCM)、连续导通模式(CCM)以及临界导通模式(CrCM)或边界导通模式）。这些拓扑的全面概述不在本讨论范围内，如需更多信息请参阅 [1]。

升压转换器会提高输入电容器上的电压并让它在宽输入电压范围内保持充电，因此全球通用交流电。为了藉由上述的拓扑来实现统一 PF，它会确保流过 PFC 扼流圈的平均输入电流紧跟着输入电压。每个拓扑在 SWaP 和 EMI 影响上都各有利弊。下图的例子是一个由专用控制器驱动的有源 PFC 电路以及输入和输出电压波形。

现代的有源 PFC 电路则利用氮化镓 (GaN) 开关开关的特性，由于该开关缺少体二极管来形成整流桥（与硅 MOSFET)不同），因此可以实现更高效的 PFC。这被称为无桥 PFC（又名图腾柱 PFC），下图为带有控制器的电路以呈现 GaN 和 Si 开关之间的区别。

实施PFC的最后一个考虑因素是利用多相电源转换器提供的优势，例如将每个桥臂处理的电流减半然后在输出端彼此反相组合来减少发热和器件应力。较大的 PFC（通常由磁体主导）可以设计为全额定电流的一半，并在相等的两相交错。

无论是尝试最大化 EMC 性能或是确保大量单元在一个输入总线时线路质量仍是可被接受的，PFC 不只是一种「可有可无」的功能，而是应该作为整体电源解决方案和部署的一部份并予以慎重考虑。