功率因數校正（PFC）對于減輕電能質量問題至關重要，因為更多的無功負載源會進入電網。在可用的PFC方法中，交錯式PFC方法使工程師能夠使用成本更低的組件構建更緊湊的PFC解決方案，但需要高度復雜的控制機制，從而限制了其對設計人員的吸引力。基于MCU或專用IC的交錯式PFC解決方案集成了這些控制機制，為設計人員提供了在終端產品中實現高效PFC功能的簡化方法。

定義為實際功率與視在功率之比，功率因數表示可用于運行設備的相對功率。設備中的無功負載將功率因數遠低于1.實際上，在沒有校正的情況下，典型的開關模式電源的功率因數約為0.6，具有相當大的奇次諧波失真。當功率因數低于1時，電壓和電流不同相，功率擴散到基頻以外的諧波，這些諧波沿中性線傳播，以擾亂其他功率消耗。

除了需要為了補償這些低效率產生更多功率，諧波會在電容器和電纜中產生額外的損耗和介電應力。隨著高噪聲發射，電動機和變壓器繞組中相關的電流增加導致保險絲和其他安全部件的早期故障。通過重新調整電壓和電流波形以使它們同相，PFC減少了符合IEC 61000-3-2所要求的諧波，IEC 61000-3-2定義了電氣設備發出的諧波限值。

PFC方法

雖然設計人員可以使用無源元件實現PFC，但有源功率校正允許使用更小的電感器，并為處理到達國際市場的產品的不同線電壓提供更大的靈活性。有源PFC使用位于輸入整流器和輸出存儲電容之間的開關模式轉換器（圖1）。在這種方法中，PFC控制電路對輸入電流進行整形以匹配輸入電壓波形。

圖1：放置在輸入整流器和輸出轉換器之間，功率因數校正（PFC）電路調整輸入電流以匹配輸入電壓。 （由CN半導體提供）

升壓轉換器通常是實現PFC的首選轉換器拓撲，因為該拓撲結構使用連續輸入電流。可以使用平均電流模式控制技術來操縱該輸入電流，以迫使輸入電流跟蹤線電壓的變化。此外，升壓轉換器拓撲結構還可降低電流紋波并實現更簡單的柵極驅動器實現。

典型的單相升壓PFC轉換器是一種相對簡單的設計，它結合了橋式整流器，電感器，二極管，開關和輸出電容（圖2）。實際上，輸入橋和諸如EMI濾波器的附加組件通常已經存在于大多數功率轉換器中。同時，選擇這些組件對于確保有效運行至關重要。

圖2：升壓轉換器拓撲結構是PFC的首選，簡化了輸入電流的操作，以跟蹤輸入電壓的變化。 （由Freescale Semiconductor提供）

更新的器件通過在單個器件上集成簡單單級PFC轉換器的大部分或全部元件來簡化元件選擇和匹配 - 只需很少的額外元件即可實現PFC。事實上，Power Integrations HiperPFS系列的成員，如Power Integrations PFS7523，不僅集成了連續導通模式（CCM）升壓PFC控制器和柵極驅動器，還集成了包括超低反向恢復二極管和高壓電源的電源組件。 MOSFET。 HiperPFS器件無需外部電流檢測電阻和相關的功率損耗，采用專有控制技術，可在輸出負載，輸入線電壓甚至輸入線周期內調節開關頻率。

Interleaved PFC設計

傳統的單級PFC控制器設計仍然依賴于適當大的電感器，并且需要大量濾波以減少高頻紋波。另一種拓撲結構取代了單個PFC升壓轉換器，其中兩個交錯轉換器的相位相差180°。

這種交錯方法顯著降低了輸入電流和電流流入的高頻紋波分量。 PFC預調節器的輸出電容器。與相同功率的單相PFC級相比，輸入電流上的紋波減小意味著設計人員可以使用更小的輸入電容并降低EMI濾波。此外，降低高頻紋波電流進入PFC輸出電容意味著設計人員可以減小其尺寸和成本。最后，每相中降低紋波和降低平均電流的組合允許使用比傳統單相設計更小的電感器尺寸。

設計人員可以實現具有高度集成數字的交錯式PFC設計 - 信號控制器（DSC），如Microchip Technology DSPIC33FJ06GS202或Freescale Semiconductor MC56F8006。這些DSC將高性能處理器內核與片上外設相結合，包括模數轉換器（ADC），脈沖寬度調制器（PWM）和模擬比較器。在這種方法中，DSC使用其片上ADC來監控整個輸入電壓和電流，輸出電壓以及每級的MOSFET電流（圖3）。反過來，該器件使用其集成的PWM來控制每個轉換器中的開關，同時繼續監控兩個轉換器開關電流，以確保兩個級之間的負載均等共享。

圖3：數字信號控制器結合了監控輸入電壓VAC和電流IAC以及輸出直流電壓VDC所需的模擬外設以及在測量開關電流（IM1，IM2）的同時驅動每個控制器級，以確保相等的負載分配。 （由Microchip Technology提供）

這種并行轉換器方法的主要缺點是兩個轉換器的頻率不相同，需要確保其精確同步的方法。過去，這一要求增加了實施適當監測和控制所需的附加電路的復雜性。集成DSC的使用消除了對額外控制設備的需求。然而，設計人員仍然需要實施所需的復雜控制算法，以確保并行轉換器精確地以180°異相工作（圖4）。

圖4：交錯式PFC依賴于詳細的測量和控制算法，以確保并行控制器的精確同步。 （由Microchip Technology提供）

集成解決方案

專用IC為交錯式PFC設計提供了一種更簡單的方法，將完整的控制邏輯與所需的外設功能集成在一起。使用這些高度集成的器件，工程師只需添加橋式整流器和并聯升壓轉換器即可實現PFC（圖5）。

圖5：德州儀器（TI）UCC28070等專用IC集成了將PFC與最少的附加組件交錯所需的全面功能。 （德州儀器公司提供）

例如，德州儀器UCC28070設計用于在CCM PFC設計中以180°異相操作兩個并行控制器。該器件的兩個獨立電流放大器可確保兩個PWM輸出中的匹配平均電流模式控制，同時保持穩定，低失真的正弦輸入線電流。雖然交錯式PFC通常只包含一對并聯轉換器，但設計人員可以將多個UCC28070組合在一起，為更高功率的應用提供偶數個附加相位，并實現更高水平的輸入和輸出紋波電流消除。

BCM解決方案

雖然CCM PFC為轉換器吞吐功率提供了低峰值平均電流比，但它在開關輸出二極管的影響方面存在缺點。在CCM中，當MOSFET導通時，正向電流通常會流過二極管。由于少數載流子的復合較慢，這些高壓二極管通常會受到延長的反向恢復，這會增加損耗和振鈴并最終產生高頻EMI諧波。

相反，關鍵時刻 - 導通模式（有時稱為邊界導通模式［BCM］或過渡模式），允許電感電流在MOSFET的下一個開關周期開始之前完全達到零。升壓二極管的零電流開關允許使用較便宜的二極管而不犧牲效率。此外，由于紋波電流消除和開關頻率有效加倍，輸入和輸出濾波器可以更小。

飛兆半導體FAN9611MX和德州儀器UCC28063等器件是集成PFC控制器IC，專為交錯式BCM PFC的實現。這些專用器件的一個關鍵特性是BCM工作所需的片上零檢測電路：BCM設計以可變頻率工作，每當電感器中的電流達到零時啟動一個開關周期。

通常，零電流檢測器使用電感上輔助繞組的電壓監測電感電流，以間接檢測電感電流何時達到零。雖然最簡單的檢測零交叉的方法是在測量波形上使用比較器閾值，但當電感兩端的電壓為零時，電感電流實際上處于其最大負值（圖6）。如果MOSFET此時導通，則存儲在寄生電容中的所有能量將被分流到地，從而導致功率損耗。飛兆半導體FAN9611MX的內部檢測電路包括一個差分器，能夠檢測檢測電壓斜率的變化，使其能夠捕獲檢測波形的波谷并提供更高效的操作。

圖6：高級交錯式BCM PFC IC，如飛兆半導體FAN9611MX，通過檢測感應電壓斜率的變化而不是只是它的零交叉。 （Fairchild Semiconductor提供）