PFC从无源到有源，模拟PFC与数字PFC的竞争

电子发烧友网报道（文/李宁远）功率因数是衡量电气设备效率高低的系数，一个设备功率因数越高，说明它对电能的利用越充分。想要更有效地利用电能的转换和传输，就需要合理地分配有功功率和无功功率，尽可能地提高用电设备的功率因数。
 
功率因数的差距在工业用电和民用电的对比上表现得很明显，工业中使用的用电设备多为电感或电容性设备，其功率因数相对居民用电设备的功率因数要低一些，这就造成了电网中无功功率更高，维持这个无功功率需要更多的电能，工业用电价格需要为这部分电能买单，价格自然也就比民用电高出很多。
 
PFC功率因数校正
 
PFC全称Power Factor Correction，也就是功率因数校正，是提高用电设备功率因数的技术。早期为了改进供电效率低下的问题，采取的是功率因数补偿这一策略，即在用电设备上并联一个电容器用以调整其电压、电流的相位特性。功率因数补偿也能解决一些EMI和EMC问题。
 
在开关电源广泛应用后，PFC技术开始发展起来，PFC技术完全不同于过去的功率因数补偿，功率因数校正针对非正弦电流波形畸变，使交流线路电流追踪电压波形瞬时变化轨迹，并使电流和电压保持同相位，是一种线路电流波形校正技术。PFC同样能够解决功率因数、电磁兼容以及电磁干扰问题。
 
PFC对工业用电设备驱动来说十分重要，既能改善整体系统效率，也能更合理地分配电压提高供电质量。目前常用的PFC有有源电路拓扑和无源电路拓扑两种实现方式，虽然两种PFC都是力争校正出正弦或近似正弦的线路电流，并与线路电压同相，从而最大程度减少产生损耗的谐波电流和无功功率流，但二者之间的差别还是蛮大的。
 
从无源PFC到有源PFC
 
有源和无源PFC之间的权衡取舍与成本、无源元件权重和数量，以及PFC相关损耗有关。无源PFC不使用晶体管等有源器件，由二极管、电阻、电容和电感等无源器件组成校正电路，这种电路需要正确使用低频电感和电容以便形成交流线路电流包络。
 
无源PFC分为电感补偿式和填谷电路式，电感补偿式利用电感上电流不能突变的特性来改善供电线路电流波形的畸变，并且利用电感上电压超前电流的特性补偿滤波电容电流超前电压的特性，使功率因数、电磁兼容和电磁干扰得以改善。通过这种方式校正后的功率因数可以达到0.7-0.8。填谷电路式PFC能将功率因数校正到0.9左右，这种PFC效果很明显，电路也很简单，但是做不了大功率。在大功率电路中，填谷电路的谐波会非常大，想要进一步滤除谐波需要增加额外的成本，大功率电路中用这种校正得不偿失。总的来看，无源PFC在非高功率的三相系统中更广泛一些，不需要额外的电感，又能有效提升功率因数。
 
有源PFC在单相驱动中很实用，基本可以完全消除电流波形的畸变，并让电压和电流的相位保持一致，在功率因数、电磁兼容以及电磁干扰上都有非常好的效果，功率因数可以校正到0.98以上，是高功率应用里最好的选择。难点在于电路很复杂，当然成本也会更高。有源PFC需要使用专用的IC调整电流，这就有了模拟PFC控制和数字PFC控制。
 
模拟PFC对决数字PFC
 
市面上关于模拟PFC已达到极限，要转向数字PFC才能进一步突破的说法很多。不可否认的是数字PFC的确能不受线性特性的限制，在任何负载条件下都可以合成极优的输出波形，但要说完全转向数字PFC还为时尚早。
 
如果单单只是完成有源PFC的控制，使用成本更低的模拟PFC控制IC完全独立于主系统控制器工作是完全没问题的，简单且直接。数字PFC的确可以合成极优的输出波形，但是其性能也受到各种因素的影响，比如采样算法和采样频率，PWM以及各种其他软硬件设计等等，这个设计过程是繁琐且复杂。模拟PFC现在也有CCFF这种技术可以进一步提高能效。所以单从二者可以达到的PFC控制效果来看，二者其实各有千秋，数字PFC的确在宽负载下优化能效能力更强，但是模拟PFC简单直接的优化也不差而且成本更低。
 
应该说，数字PFC的优势更多的其实体现在使用数字PFC可以搭配主控处理器和数字隔离器等其他器件为整个系统带来附加价值，比如主处理器可将部分时序、监控和保护功能交由PFC控制器负责，增强整体系统功能同时降低成本。
 
小结
 
不管是模拟PFC还是数字PFC，目的都是为了提升能效，模拟PFC现在能实现很高能效而且成本相对较低，但不可否认的是数字控制强大的功能也的确能够在系统级层面带来增强，选择数字PFC这时候的权衡取舍可能已经不局限于PFC电路本身了。