在現(xiàn)代電力電子技術(shù)領(lǐng)域，功率因數(shù)校正（PFC）電路是一個(gè)關(guān)鍵的組成部分，它對(duì)于提高電能利用效率、減少電網(wǎng)諧波污染起著至關(guān)重要的作用。本文將詳細(xì)介紹 PFC 電路的多種類型，重點(diǎn)探討圖騰柱 PFC 電路的工作模態(tài)，以及電感電流的三種工作模式。

PFC 功率因數(shù)校正電路

PFC 的核心目標(biāo)是讓電網(wǎng)側(cè)輸入電流和輸入電壓實(shí)現(xiàn)同頻同相，通過(guò)精確的控制邏輯，使整個(gè)電路呈現(xiàn)出阻性狀態(tài)。一般而言，BOOST 電路拓?fù)涑１挥糜趯?shí)現(xiàn) PFC 功能。這是因?yàn)?BOOST 電路的功率電感直接與輸入源相連，能夠顯著減小輸入電流的脈動(dòng)。同時(shí)，該電路本身具備升壓功能，在一些光伏并網(wǎng)逆變器中，還被廣泛應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電池（PV）的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）功能。

傳統(tǒng)整流橋式 BOOST 型 PFC 電路

傳統(tǒng)整流橋式 BOOST 型 PFC 電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電磁干擾（EMI）特性良好以及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)相對(duì)容易等優(yōu)點(diǎn)。然而，該電路也存在明顯的不足。其前級(jí)整流電路和 S1 開(kāi)關(guān)管在工作時(shí)，有 3 個(gè)管子同時(shí)導(dǎo)通，這導(dǎo)致電路的導(dǎo)通損耗較大。此外，電路體積較大，不利于實(shí)現(xiàn)高效率和高功率密度。

基本無(wú)橋 PFC 電路

基本無(wú)橋 PFC 電路由兩個(gè)開(kāi)關(guān)管和兩個(gè)二極管構(gòu)成，這種設(shè)計(jì)極大地減少了開(kāi)關(guān)管的數(shù)量，從而有效降低了電路損耗。其驅(qū)動(dòng)電路也并不復(fù)雜。但在交流輸入負(fù)半周時(shí)，開(kāi)關(guān)管 S2 作為高頻開(kāi)關(guān)管需要頻繁開(kāi)通和關(guān)斷，這使得交流輸入和輸出直流地之間存在高頻跳變點(diǎn)，導(dǎo)致電路的共模噪聲較大。

改進(jìn)型雙 Boost 型 PFC 整流電路

為了解決基本無(wú)橋 PFC 電路的電磁問(wèn)題，改進(jìn)型雙 Boost 型 PFC 整流電路在其基礎(chǔ)上增加了電感元件，同時(shí)增加了一組慢速二極管作為工頻開(kāi)關(guān)管。這樣可以確保在整個(gè)工頻周期內(nèi)，交流電源和輸出直流地之間不存在高頻跳變點(diǎn)。不過(guò)，這種改進(jìn)也帶來(lái)了一些新的問(wèn)題，如器件數(shù)量增多導(dǎo)致成本增加，電路的可靠性也有所降低。

圖騰柱 PFC 電路

圖騰柱 PFC 電路是在無(wú)橋 PFC 電路的基礎(chǔ)上，對(duì)開(kāi)關(guān)管的位置進(jìn)行了更換。其中，S1 和 S2 用作高頻橋臂，D1 和 D2 用作低頻管。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得不論在交流輸入的正負(fù)半周，輸入交流源和輸出直流地之間都不存在高頻跳變點(diǎn)，從而極大地減小了共模干擾。此外，該電路的通態(tài)損耗相對(duì)較小，效率較高。在混網(wǎng)逆變器中，由于 AC - DC 是雙向運(yùn)行的，圖騰柱 PFC 電路的四個(gè)管子都采用全控型器件，不使用二極管，這樣可以正向?qū)崿F(xiàn) PFC 功能，反向?qū)崿F(xiàn)逆變功能。

單相圖騰柱 PFC 工作模態(tài)

在單相圖騰柱 PFC 電路中，前橋臂 Q1 和 Q2 高頻開(kāi)關(guān)管可選用 SiC MOSFET，后橋臂 Q3 和 Q4 可用普通 Si MOSFET。SiC MOSFET 開(kāi)關(guān)管具有諸多優(yōu)勢(shì)，如更低的開(kāi)關(guān)損耗、更高的耐壓能力、更低的導(dǎo)通電阻和更小的泄露電流，并且在關(guān)斷時(shí)不存在電流拖尾現(xiàn)象，相較于 Si MOSFET 可以適應(yīng)更高的工作頻率。

前橋臂進(jìn)行高頻通斷，后橋臂則依據(jù)網(wǎng)側(cè)電壓的正負(fù)進(jìn)行工頻互補(bǔ)通斷。在一個(gè)工頻周期內(nèi)，該電路可以分為四個(gè)模態(tài)：

• 模式一：當(dāng)電網(wǎng)電壓處于正半周時(shí)，Q4 和 Q2 導(dǎo)通，Q1 和 Q3 關(guān)斷。此時(shí)，交流輸入流經(jīng) Q4 和 Q2，構(gòu)成給網(wǎng)側(cè)電感 L 充電的蓄能回路，電感電流正向升高。同時(shí)，母線電容和負(fù)載構(gòu)成回路，電容向負(fù)載輸出，母線電壓處于下降階段。
• 模式二：同樣在電網(wǎng)電壓正半周，Q4 和 Q1 導(dǎo)通，Q2 和 Q3 關(guān)斷。交流輸入流經(jīng)開(kāi)關(guān)管 Q4、Q1 和網(wǎng)側(cè)電感 L，構(gòu)成給母線電容 C 和負(fù)載的供電回路，電感電流正向下降，母線電壓處于上升階段。
• 模式三：在電網(wǎng)電壓負(fù)半周，Q3 和 Q1 導(dǎo)通，Q2 和 Q4 關(guān)斷。交流輸入流經(jīng) Q1 和 Q3，構(gòu)成給網(wǎng)側(cè)電感 L 充電的蓄能回路，電感電流反向上升。母線電容和負(fù)載構(gòu)成回路，電容向負(fù)載輸出，母線電壓處于下降階段。
• 模式四：電網(wǎng)電壓負(fù)半周時(shí)，Q2 和 Q3 導(dǎo)通，Q1 和 Q4 關(guān)斷。交流輸入流經(jīng)開(kāi)關(guān)管 Q2、Q3 和網(wǎng)側(cè)電感 L，構(gòu)成給母線電容 C 和負(fù)載的供電回路，電感電流反向下降，母線電壓處于上升階段。

電感電流的工作模式

依據(jù)電感電流是否連續(xù)，可將其工作模式劃分為連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）、臨界連續(xù)導(dǎo)通模式（CRM）和斷續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）三種。不同模式對(duì)應(yīng)的電感電流波形如下所示：

• CCM 模式：在該模式下，電感電流紋波較小。但在同功率等級(jí)下，需要功率電感的感量和體積也會(huì)相應(yīng)較大。在單開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，電感電流不過(guò)零，開(kāi)關(guān)管處于硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)。若使用 Si 器件作為高頻開(kāi)關(guān)管，會(huì)存在嚴(yán)重的反向恢復(fù)問(wèn)題。對(duì)于 CCM 模式的圖騰柱 PFC，常采用平均電流模式進(jìn)行控制，開(kāi)關(guān)管工作在定頻狀態(tài)。考慮到開(kāi)關(guān)管電流應(yīng)力、前級(jí)濾波參數(shù)等因素，該模式通常應(yīng)用在大功率場(chǎng)合。
• CRM 模式：電感電流在單開(kāi)管周期內(nèi)存在過(guò)零點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷，從而避免了使用 Si 器件帶來(lái)的反向恢復(fù)問(wèn)題。工作于 CRM 下的 PFC 電路功率因數(shù)也相對(duì)較高。為了保持功率恒定，對(duì)應(yīng)的電感電流峰值增大，這對(duì)開(kāi)關(guān)管的耐流能力要求較高。開(kāi)關(guān)管處于變頻工作狀態(tài)，會(huì)引入大量諧波，通常應(yīng)用于中小功率場(chǎng)合。
• DCM 模式：該模式下單開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電感電流也存在過(guò)零，開(kāi)關(guān)管可以工作在軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)。在保證功率傳輸?shù)那闆r下，電感電流峰值更大，對(duì)開(kāi)關(guān)管的電流應(yīng)力要求更高，而且還會(huì)產(chǎn)生較大的電磁干擾（EMI），通常用于小功率場(chǎng)合。