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引言

工业用电的费用通常远高于居民用电。从技术角度来看，这是由于工业用电的高功率感性或容性负载导致的低功率因数（PF），从而增加了传输成本。相比之下，居民用电主要使用小功率和中等功率的电气设备，功率因数高，损耗少，因此电费较低。本文将介绍功率因数（PF）和总谐波失真（THD）的基本概念，并探讨如何通过功率因数校正（PFC）电路和PFC控制器来实现高PF并降低谐波失真。

交流电中的功率因数

功率因数（PF，λ）表示有功功率（P）与视在功率（S）之间的关系。视在功率即电压和电流的乘积，公式如下：

λ = P / S

而视在功率（S）与无功功率（Q）和有功功率（P）之间的关系为：

S = √(P² + Q²)

功率因数表示了电能的有效利用程度，PF值越大，说明电能利用越高效。在交流电网中，PF可以通过实际工作波形来估算，公式如下：

λ(PF) = cosφ × 1 / √(1 + THD²)

影响PF的主要因素是cos(φ)和THD，如图1所示为输入交流电压波形与负载电流波形之间的相位差（φ）。

总谐波失真

总谐波失真（THD）反映了输入电流因谐波而产生的失真程度，如图所示为输入交流电压与负载电流之间的THD。

失真度的计算公式为：

失真:1 / √(1 + THD²)

在交流电网中，谐波相对于基波，例如施加于非线性负载的220VAC、50Hz的正弦电压。利用傅里叶级数，失真输入电流波形由每个谐波分量的叠加组成。THD等于二次谐波分量的RMS值与基波分量的RMS值的平方和的平方根。图3显示了失真输入电流波形的总谐波失真计算。

失真越大，THD值越高，PF值越低。为了提高电力利用效率，国际标准对各种电气设备的谐波电流提出了要求，例如IEC 61000-3-2和EN 61000-3-2。

通过电路实现高功率因数校正（PFC）

下图为没有PFC的常规电路图。在整流桥后仅有电容滤波，直接为负载设备供电。这种电路的输入电流导通角很小，PF较差，导致输入电流波形严重失真。

下图为没有PFC的电路图的电压和电流波形。

在当前的AC/DC电源中，PFC电路主要使用主动PFC（APFC）电路。APFC电路由电感、电容和半导体开关器件组成，体积小，且利用专用IC根据正弦电压波形的变化控制电流。其电流波形接近正弦，PF值可达到0.99，接近理想值1。下图为典型的升压APFC电路，通过高频开关控制电感电流波形。

下图显示了从升压APFC电路获得的输入电流波形和电压波形。

为实现输入电流的正弦化，下图展示了一个典型的升压APFC电路实例。L1、D4、Q1和C6（红色虚线框内）构成升压APFC电路的主要电源。FB用于输出电压（VOUT）反馈，MULT进行输入正弦波相位跟踪，CS是电感电流的采样信号。

在一个开关周期内，通过FB检测VOUT，误差放大后的COMP值与MULT引脚信号相乘得出正弦参考值。然后将参考值与电感电流采样信号周期性比较，完成MOSFET开关的关闭逻辑。当ZCS引脚检测到升压电感电流降至0A时，触发MOSFET开关的启动逻辑，从而完成整个开关周期。此外，C1电容对电感电流进行平滑滤波，使输入电流波形更加正弦和平滑，从而校正PF并获得接近1的高PF值。APFC电路采用典型的临界电流控制模式，通常用于300W以内的电源设计。对于更高功率的应用，建议选择连续导通模式（CCM）的PFC电路。若要求轻载效率，增加不连续导通模式（DCM）可有效降低工作频率，同时改善开关损耗和EMI。

总结

本文讨论了PF与THD之间的关系，并通过升压APFC电路实现了高PF值。将PFC电路集成到电源设计中可最小化总谐波失真并提高电力的有效利用率，从而整体降低电源成本。