低功率因數通常意味著輸入電流質量差和效率低下，這會給供應商、消費者或兩者帶來成本負擔。在交流系統中，低功率因數通常來自遭受失真的輸入電流波形，這就是為什么一些國際電氣標準對電源電流中的諧波含量有嚴格限制，以及為什么有源或無源功率因數校正幾乎是強制性的。一些情況。

理想交流系統中的功率因數

在正弦交流系統中，功率因數只是電氣系統用于產生功的有功功率與總視在功率之間的比率，其中包括由負載產生的電場和磁場產生的無功阻抗引起的有功功率和無功功率。無功阻抗導致電流波形滯后電壓波形一個稱為相移角的余量，因此我們可以將功率因數表示為電壓和電流波形之間的相移角的余弦，并得出結論，功率因數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：確定作為相移函數的功率因數

實際交流系統中的諧波失真

在實際交流電源中，輸入電流通常是一個復雜的信號，帶有多個諧波分量，而初級或基波（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：成分諧波的復合波形

因此，一種方法是從失真因數推導出實際系統中的功率因數，該失真因數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 轉換器的作用是被動調整或主動重建輸入交流電流波形，使它們在相位和形狀方面更接近電壓信號，并且沒有不需要的諧波。

當今交流系統中的 PFC 轉換器

功率因數校正基于開關器件（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，以確定開關器件的開啟和關閉持續時間，從而對相應的 PFC 電感器進行充電和放電。PFC 電感器上的瞬時電流中的振蕩被定時以在平均電感器電流中產生小的凈增加和減少，PFC 控制器隨著時間的推移對其進行管理以產生所需的正弦波形。

圖 3：高頻開關形成的平均電感波形

PFC 階段的交錯

在高功率應用中，將 PFC 級劃分為兩個或多個并行 PFC 電路通常是有益的，該過程稱為交錯。雖然交錯增加了電路元件的數量，但每個通道中較低的電流和較低的開關頻率可實現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，實際上可以降低成本。

圖 4：來自三個交錯通道的總 PFC 電流

由于 PFC 控制器能夠生成驅動各個相位通道的單獨 PWM 輸出，因此可以實現交錯。這些控制器上的固件將始終包含切相邏輯，以在功率要求相對較低時限制使用的通道數量。

交流系統中的高級數字 PFC 控制器

用于現代轉換器的數字 PFC 控制器隨著替代復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展。另一個關鍵優勢在于這些控制器上的可編程和可配置固件，它使解決方案設計人員能夠實現自己的邏輯并設置特定于應用程序的參數，以使轉換器活動與特定設計要求保持一致。

例如，新的STNRGPF01能夠管理來自幾乎任何標準國際輸入電源電壓的高達 3 kW 的負載。該控制器實施全面的電源和負載監控，以實現高響應性能和安全管理，以及 3 通道交錯，以顯著提高整體轉換器效率并降低主電感器的成本和尺寸，這在大功率應用中可能相當昂貴。ST STNRG 數字控制器系列的另一款 IC 是最近發布的STNRGPF12，它可以通過兩通道交錯管理高達 2 千瓦的負載，并具有數字浪涌電流控制功能，可在電流尖峰可能損壞電路時對微妙的啟動階段進行出色管理元素。

下一代 AC 設計中的 ST 評估板和 eDesignSuite

ST 擁有一系列 PFC 和隔離式 DC-DC 數字 SMPS 板和套件，可讓您探索和評估專為高端工業應用設計的全功能解決方案。STEVAL-IPFC01V1 3 kW 三通道交錯式 PFC 評估板的圖片立即展示了其高度緊湊的設計和非常高的功率密度，同時突出了高端 PFC 轉換器的另一個重要設計方面，即包含某些模擬電路確保高頻開關應用中的最大控制。

事實上，STEVAL-IPFC01V1和更新的STEVAL-IPFC12V1具有模擬傳感元件和比較器，可將瞬時波形信息直接反饋回 STNRG 數字控制器，以實現逐周期電流調節，即使在極高的開關頻率下也是如此電路。

最后，ST 在其網站上提供了一個名為eDesignSuite的出色設計工具，其中包括一個 PFC 轉換器部分，可以真正幫助您在設計階段提高生產力。該軟件不僅能夠根據您的設計參數開發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 數字 PFC 控制器，以滿足您的特定應用需求。

審核編輯：郭婷