EC-61000-3-2 標準定義了給定功率水平允許的最大諧波電流。2005 年第 3 版對 1995 年和 2001 年標準的初始版本進行了更改。它對（D 類）PC、顯示器和電視的電力線諧波電流提出了更嚴格的要求，每相功耗在 75 和 600 W 之間，=16 A . 為了滿足這些要求，設計人員必須在 D 類電源中采用有源 PFC。

許多 PFC 電路采用升壓轉換器。傳統升壓 PFC 轉換器的一個限制是它只能通過整流交流線路工作，這涉及兩級功率處理（圖 1）。

圖1

轉換器生成的波形更好地說明了這個問題（圖 2）。此外，在傳統升壓轉換器中引入隔離也沒有簡單有效的方法。

圖2

使用升壓轉換器的全橋擴展，然后作為 PFC 轉換器進行控制，是引入隔離的一種方式（圖 3）。然而，這增加了初級側的四個晶體管和次級側的四個二極管整流器的復雜性，它們都在例如 100 kHz 的開關頻率下工作。此外，輸入橋式整流器中還有四個二極管，工作在 50/60Hz 的線路頻率下

圖3

除了低頻正弦電流外，線路電流還會在高開關頻率下疊加輸入電感紋波電流，需要通過交流線路上的附加高頻濾波器將其濾除。在硬開關模式下工作的 12 個開關的存在導致高導通和開關損耗。這種兩級方法及其輔助開關設備的最佳效率為 87%。

由于升壓直流轉換增益，這種方法還存在啟動問題。它需要額外的電路來對輸出電容器進行預充電，以便轉換器能夠啟動。

為了實現 1 kW 或更高的功率，設計人員通常采用三級方法（圖 4）。這里，標準升壓 PFC 轉換器和隔離降壓轉換器跟隨輸入的橋式整流器。這總共需要 14 個開關。這些開關中至少有六個是高壓的，這進一步降低了效率并增加了成本。盡管如此，基于目前最好的開關器件的最高效率達到約 90%，它比兩級方法要好。

圖4

對于中低功率，還有一種替代方法，即通過將正向轉換器用于隔離級來減少開關數量（圖 5）。在走這條路之前，必須意識到雖然現在有 10 個開關，但正向轉換器中的四個開關器件對初級和次級側開關施加的電壓應力比全橋解決方案更大。此外，全橋解決方案需要四個磁性元件。

圖5

無橋 PFC 轉換器

TESLAco總裁 Slobodan Cuk 博士在這個領域開辟了新天地，開發了一種直接從交流線路工作的無橋 PFC 轉換器。它號稱是第一款真正的單級無橋 AC-DC PFC 轉換器。

為了實現這一壯舉，Cuk 采用了一種新的開關電源轉換方法，稱為“混合開關”。它采用僅由三個開關組成的轉換器拓撲：一個可控開關 (S) 和兩個無源電流整流器開關（CR1 和 CR2）（圖 6）。兩個整流器根據輸入交流電壓的正極性或負極性的主開關 (S) 的狀態打開和關閉。這種拓撲結構由一個與輸入串聯的電感器、在部分開關周期中充當諧振電容器的浮動能量傳輸電容器和一個諧振電感器組成。

由于基于 PWM 方波開關的傳統轉換器使用電感和電容，因此它們需要互補對開關。當一個開關打開時，其互補開關關閉，反之亦然。因此，與新的混合開關 PFC 轉換器中的奇數（三個）相比，只允許偶數個開關。

在此設置中，不存在此類互補開關。一個有源開關 S 單獨控制兩個二極管，它們的作用會根據交流輸入電壓的極性自動改變。例如，對于交流輸入電壓的正極性，CR1 在開關 S 的導通時間間隔內導通。那么，對于交流輸入電壓的負極性，CR1 在開關 S 的關斷時間間隔內導通。CR2 也響應自動進入開關 S 和輸入交流電壓極性的狀態。對于正極性，它在開關 S 的關斷時間間隔內導通；對于負極性，它在開關 S 的導通時間間隔內導通。

因此，三個開關在輸入交流線電壓的正半周期和負半周期都始終工作。因此，這種真正的無橋 PFC 轉換器在沒有全橋整流器的情況下運行，因為轉換器拓撲實際上執行交流線路整流。最終結果是輸入交流線路電壓的任一極性都具有相同的直流輸出電壓。取消全橋整流器直接消除了損耗，尤其是對于 85V 低壓線路。

初級側的有源開關 S 以開關頻率進行調制和操作，其測量值比線路頻率高三個數量級（例如，50 kHz 開關頻率與 50/60 Hz 的低交流線路頻率相比）。占空比 (D) 可以根據控制開關 S 的導通時間和所有穩態量（例如直流轉換比）來定義，電感器 L 的直流電流用 D 表示。

隨后，檢測全波輸入線路電壓和輸入線路電流，并將其作為輸入發送到無橋 PFC IC 控制器。反過來，控制器調制初級側的開關 S 以強制輸入線路電流與輸入線路電壓成比例，從而提供所需的單位功率因數。

該 PFC 轉換器真正顯著的特性是電隔離擴展保留了與圖6中的三開關轉換器相同的簡單性。基本上，諧振電容器分成兩個串聯，隔離變壓器插入它們的分裂點。

圖6

數控PFC

用于電源的低成本、高性能數字控制器的可用性導致它們在 PFC 設計中的使用。數字控制器提供可編程配置、非線性控制、部件數量少以及實現復雜功能的能力，而這些功能通常用模擬方法難以實現。

大多數當今的數字電源控制器，例如德州儀器的 UCD3020，都提供集成電源控制外設和電源管理內核，包括數字環路補償器、快速模數轉換器 (ADC)、高分辨率數字脈沖- 具有內置死區時間、低功耗微控制器等的寬度調制器 (DPWM)。它們支持復雜的高性能電源設計，例如無橋 PFC。

例如，無橋 PFC 可以包含兩個 DC-DC 升壓電路：L1、D1、S1 和 L2、D2、S2 （圖7）。D3 和?? D4 是慢恢復二極管。分別感測參考內部電源接地的線路和中性線電壓可實現輸入交流電壓測量。通過比較感應到的線路和中性信號，固件可以判斷它是正半周期還是負半周期。在正半周期內，第一個 dc-dc 升壓電路 (L1-S1-D1) 處于活動狀態，升壓電流通過 D4 返回到交流中性點。在負半周期期間，L2-S2-D2 處于活動狀態，升壓電流通過 D3 返回到交流線路。

圖7

與使用相同功率器件的傳統單相 PFC 相比，無橋 PFC 和單相 PFC 應具有相同的開關損耗。但是，無橋 PFC 電流在任何時候都只通過一個慢速二極管（D4 用于正半周期，D3 用于負半周期）而不是兩個。因此，效率的提高依賴于一個二極管和兩個二極管之間的傳導損耗差異。

無橋 PFC 效率也可以通過完全打開非活動開關來提高。例如，在正周期期間，S2 可以完全開啟，而 S1 由 PWM 信號控制。由于當流過的電流低于某個值時，MOSFET S2 上的壓降可能低于 D4，因此返回電流部分或全部流過 L1-D1-RL-S2-L2，然后返回交流源。這降低了傳導損耗并提高了電路效率，尤其是在輕負載時。類似地，在負循環期間，S1 完全開啟，而 S2 正在切換。

在輸入交流電壓和直流輸出電壓相同的情況下，輸出電流與電壓環輸出成正比。有了這些知識，就可以相應地調整頻率和輸出電壓。固件在數字控制器中實現電壓環路。因為輸出是已知的，所以很容易實現此功能，并且比模擬方法成本更低。