功率因數(shù)校正(PFC)是緩解電能質(zhì)量問(wèn)題的關(guān)鍵，因?yàn)楦嗟臒o(wú)功源將連接到電網(wǎng)中。本文介紹功率因數(shù)對(duì)電源效率的影響，在交流系統(tǒng)中，數(shù)字PFC控制器通過(guò)對(duì)電感器電流的檢測(cè)，如何以低損失來(lái)進(jìn)行合適的功率因數(shù)改善。
低功率因數(shù)通常意味著較差的輸入電流質(zhì)量和較低的效率，這會(huì)給供應(yīng)商、消費(fèi)者帶來(lái)成本負(fù)擔(dān)。在交流系統(tǒng)中，低功率因數(shù)通常來(lái)自輸入電流波形的失真，這就是為什么一些國(guó)際電氣標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電流中的諧波含量有嚴(yán)格的限制，以及為什么在某些情況下，有源[1]或無(wú)源功率因數(shù)校正幾乎是強(qiáng)制性的。
理想交流系統(tǒng)的功率因數(shù)
在正弦交流系統(tǒng)中，功率因數(shù)是有效功率與總耗電量（視在功率）之間的關(guān)系，也就是有效功率除以總耗電量（視在功率）的比值。其中包括由負(fù)載產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng)產(chǎn)生的無(wú)功阻抗引起的有功功率和無(wú)功功率。無(wú)功阻抗使電流波形滯后電壓波形,稱為相移角,因此我們可以將功率因數(shù)表示為電壓波形與電流波形相移角的余弦值，得出當(dāng)電流波形與電壓波形相移角趨近于零時(shí)，功率因數(shù)接近1的最大值。
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)包含多個(gè)諧波分量的復(fù)雜信號(hào)，當(dāng)主諧波或基波[2](與電路電壓同相)提供真實(shí)功率時(shí)，其他諧波則攜帶大量不可用的能量。
因此，在實(shí)際系統(tǒng)中，功率因數(shù)由畸變因數(shù)推導(dǎo)而來(lái)，畸變因數(shù)是基于基元上所有附加諧波之和，或總諧波畸變率 (THD)。因此，PFC變換器的作用是被動(dòng)地調(diào)整或主動(dòng)地重建輸入的交流波形，使其在相位和形狀上與電壓信號(hào)更緊密地對(duì)準(zhǔn)，并且盡量避免不必要的諧波。
PFC轉(zhuǎn)換器在如今交流系統(tǒng)的作用
功率因數(shù)校正是基于開(kāi)關(guān)器件(MOSFET、IGBTs等)，通過(guò)快速切換PFC電感電流來(lái)形成輸入平均電流波形。PFC控制器通過(guò)比較電路反饋和參考信號(hào)來(lái)確定開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)斷時(shí)間，從而對(duì)相應(yīng)的PFC電感進(jìn)行充放電。通過(guò)PFC電感器的瞬時(shí)電流的振蕩，在平均電感電流上產(chǎn)生較小的凈增減，PFC控制器控制這些電流，以產(chǎn)生所需的正弦波形。
交叉功率因數(shù)校正方案
在高功率應(yīng)用中，將PFC級(jí)別劃分為兩個(gè)或多級(jí)并行PFC電路通常是最好的，這個(gè)過(guò)程稱為交錯(cuò)。雖然交錯(cuò)增加了電路組件的數(shù)量，但每個(gè)通道中較低的電流和開(kāi)關(guān)頻率可以更好地進(jìn)行總功率和熱量管理，提高了效率，而且由于所需的電感器要小得多，實(shí)際上可以降低成本。
由于PFC控制器能夠產(chǎn)生單獨(dú)的PWM輸出，從而驅(qū)動(dòng)各個(gè)相位通道，因此可以進(jìn)行重構(gòu)。這些控制器上的固件將始終包括切相邏輯，以限制在電源需求相對(duì)較低時(shí)使用的通道數(shù)量。
先進(jìn)的數(shù)字PFC控制器在交流系統(tǒng)的應(yīng)用
隨著現(xiàn)代轉(zhuǎn)換器的數(shù)字PFC控制器不斷發(fā)展，嵌入式功能不斷增加，取代了復(fù)雜的模擬電路，從而具有了更大的靈活性和工作范圍。另一個(gè)關(guān)鍵的優(yōu)點(diǎn)在于駐留在這些控制器上的可編程和可配置的固件，這為解決方案設(shè)計(jì)人員提供了實(shí)現(xiàn)他們自己的邏輯算法，并設(shè)置特定于應(yīng)用程序的參數(shù)從而使轉(zhuǎn)換器與特定的設(shè)計(jì)需求保持一致。
STNRGPF01和STNRGPF12 3通道和2通道交錯(cuò)式CCM PFC數(shù)字控制器
新型STNRGPF01能夠從任何標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際輸入電源電壓管理高達(dá)3千瓦的負(fù)載。該控制器實(shí)現(xiàn)了全面供電和負(fù)載監(jiān)控，高響應(yīng)性能和安全管理，并實(shí)現(xiàn)了3通道交叉，顯著提高了變換器的整體效率，降低了主電感的成本和尺寸，而在大功率應(yīng)用中，主電感的成本和尺寸可能相當(dāng)昂貴。另一個(gè)產(chǎn)品系—STNRGPF12可以通過(guò)雙通道交叉管理高達(dá)2千瓦的負(fù)載，并具有數(shù)字沖擊電流控制，在電流尖峰可能損壞電路元件時(shí)，可以更好地管理啟動(dòng)階段。
STMicroelectronics STEVAL-IPFC01V1 PFC套件基于STNRGPF01數(shù)字控制器，包含單獨(dú)的電源板、控制板和適配器板。STNRGPF01是一款數(shù)字可配置的ASIC，在交錯(cuò)PFC中最多驅(qū)動(dòng)三個(gè)通道，適合用于工業(yè)應(yīng)用。STNRGPF01設(shè)計(jì)滿足IEC 61000-3-2電氣設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)。
事實(shí)上，STEVAL-IPFC01V1和最新的STEVAL-IPFC12V1都采用了模擬傳感元件和比較器，這些元件可以將瞬時(shí)波形信息直接反饋到STNRG數(shù)字控制器中，從而實(shí)現(xiàn)逐周期的電流調(diào)節(jié)，即使在開(kāi)關(guān)電路的極高頻率下也能做到。
最后，ST還提供了一個(gè)名為eDesignSuite的優(yōu)秀設(shè)計(jì)工具，其中包括一個(gè)針對(duì)PFC轉(zhuǎn)換器的部分，可以真正幫助工程師在設(shè)計(jì)階段提高工作效率。該軟件不僅能夠開(kāi)發(fā)一個(gè)完整的解決方案，根據(jù)您的設(shè)計(jì)參數(shù)與材料清單和示意圖，也可以生成定制固件，并上傳到你的STNRG數(shù)字PFC控制器，以滿足特定應(yīng)用程序的要求。
[1] 常用有源功率因數(shù)校正電路分為連續(xù)電流模式控制型與非連續(xù)電流模式控制型兩類。其中，連續(xù)電流模式控制型主要有升壓型（Boost）、降壓型（Buck）、升降壓型（Buck-Boost）之分；非連續(xù)電流模式控制型有正激型（Forward）、反激型（Fly back）。
[2] 諧波是指對(duì)周期性非正弦交流量進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解所得到的大于基波頻率整數(shù)倍的各次分量，通常稱為高次諧波，而基波是指其頻率與工頻(50Hz)相同的分量。高次諧波的干擾是當(dāng)前電力系統(tǒng)中影響電能質(zhì)量的一大“公害”，亟待采取對(duì)策。
