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一、传统的AC/DC电源

1.1简介

传统的AC/DC电源（如你的手机充电器、电脑电源）前端是一个“桥式整流+大电容”电路。这种电路只在交流电压的峰值附近才从电网吸取电流(后端电容电压低于输入电压时二极管导通进行充电)，导致输入电流不再是平滑的正弦波，而是一系列又窄又高的脉冲(电容越大，电容电压跌落越小，二极管导通角就越小，电流脉冲越尖)。

1.2波形

红色电压波形 绿色电流波形

功率因数1.0：

功率因数0.7:

1.3带来的后果（功率因数问题）

电压是正弦波，电流是窄尖峰：

• 电压和电流波形形状不一致，基波电流和电压相位虽然差不大，但波形畸变严重
• 产生大量谐波，功率因数很低（传统无 PFC 电源通常 0.5~0.7）
• 对电网：谐波电流会在线路上产生额外损耗，导致变压器和断路器过热，缩短设备寿命，甚至干扰同一电网上的其他设备。

• 对设备自身：谐波会导致更高的峰值电流，增加发热和电磁干扰（EMI），对于电机类负载还会增加铁芯损耗。

• 这就是为什么大功率电源要加APFC（有源功率因数校正），让输入电流跟随正弦电压波形，消除尖峰。

1.4功率因数（PF）

功率因数是衡量电网电能有效利用率的指标，公式为：

最大值为 1，代表电能 100% 被有效利用。

功率因数PF与THD直接相关。在理想情况下（电压和电流都是完美正弦波且相位一致），PF=1。在有畸变的情况下，二者的关系可以简化为：

其中 cos⁡φ是基波电压和电流之间的相位差（位移因数）。这个公式清晰地表明：要获得高功率因数，低THD和相位一致缺一不可。PFC电路的作用就是“强迫”输入电流跟随输入电压的正弦波形，从而同时降低THD并校准相位，使负载对电网来说“看起来像一个纯电阻”。

二、PFC

2.1 PFC简介

1. 定义

PFC（Power Factor Correction，功率因数校正）是一种通过控制输入电流波形，使其与电压波形同步，从而提高功率因数、减少谐波和改善电磁兼容性的电源技术，常用于开关电源、LED驱动和充电设备

2. PFC 的核心作用

• 提高功率因数（PF）：使输入电流接近正弦波并与电压同相，提高电能利用率。
• 减少谐波失真（THD）：避免整流+大电容造成的尖峰电流。
• 改善 EMI / EMC：降低低频谐波电流对电网的污染；高频EMI仍需EMI滤波器解决;
• 满足法规要求：如欧盟对谐波和功率因数的限制

3.为什么需要PFC

传统整流+大滤波电容会导致：

• 输入电流只在电压峰值附近导通 →尖峰脉冲电流
• 谐波含量高 →PF 低至 0.5–0.6
• 对电网造成压力，影响其他设备。

PFC 的目标是让输入电流变成与电压同相的正弦波。

2.2 PFC的两大分类

1.无源PFC(被动PFC, Passive PFC)

原理: 仅用电感、电容等无源元件，通过 LC 滤波平滑电流尖峰，改善波形。最常见结构是在整流桥和大电解之间串联一个工频电感。

特点

• 优点：结构简单、成本低、可靠性高、无需控制电路
• 缺点：体积大、重量重；校正效果有限，PF 通常仅 0.7~0.9；仅在特定负载下效果最优
• 适用：小功率、成本敏感的低端电源

2.有源PFC(主动PFC，Active PFC)

• 使用开关变换器（如 Boost 升压）主动整形电流。
• 优点：PF 可接近 1，谐波极低，适用于中大功率。
• 缺点：电路复杂、成本较高。

备注：为什么必须用升压拓扑？ 要让电流在整个正弦半周都能被连续控制，输出直流电压必须高于输入交流电压的峰值。例如 220V 市电峰值约 311V，PFC 输出通常设定为 380V~400V，这样 0°~180° 全范围内电感都能工作在升压状态，电流可以被连续调制。

3.有源PFC的三种工作模式

根据电感电流是否连续，分为三种工作模式，适配不同功率场景

目前中小功率（PC 电源、适配器）常用 CRM 模式；大功率（服务器电源、工业电源）常用 CCM 模式。

4.PFC的应用场景

• PC 电源
• LED 驱动电源
• 电视、显示器
• 车载充电机（OBC）
• 工业电源
  这些设备通常功率较大，法规要求必须使用 PFC。

5.总结

PFC 是现代电源中不可或缺的技术，通过改善输入电流波形，提高功率因数、减少谐波并满足国际电磁兼容标准，从而提升电源效率与电网稳定性。 PFC通常位于AC/DC前端，输出高压母线，后级再接DC/DC。