2. PFC基础原理
功率因数校正（PFC）的核心目标，是让交流输入端的电流波形尽可能跟随电压波形，使输入电流接近正弦、与输入电压同相，从而把功率因数（PF）推向 1，并把总谐波失真（THD）压到较低水平。在数字控制课程中，理解拓扑与工作模式，是后续环路建模、采样时序和算法设计的前提。
一、Boost PFC：最经典的升压型校正拓扑
Boost PFC 是当前中高功率 AC-DC 应用中最常见的拓扑。其主功率回路由整流桥、升压电感 L、开关管 Q、升压二极管 D 和输出电容 Co 构成。输入交流经整流后得到脉动直流，电感在开关管导通时储能，在开关管关断时通过二极管向输出电容和负载释放能量。由于 Boost 结构天然具有升压特性，输出电压必须高于输入电压峰值，通常设定为 380V～400V 直流母线。
数字控制下，Boost PFC 的典型控制量包括：输入电压采样 Vin、输入电流采样 IL、输出电压采样 Vo。控制器通过电压外环生成电流幅值指令，再乘以输入电压波形作为电流内环的参考，使电感电流跟踪正弦参考。其关键波形表现为：电感电流在开关周期内呈三角波，其包络为正弦半波；开关节点电压在 0 与 Vo 之间切换；输入电流经滤波后接近正弦。
二、图腾柱PFC：无桥化与双向能力
图腾柱 PFC（Totem-Pole PFC）用两个高频开关管替代传统整流桥的下半桥，用两个工频开关管替代上半桥，从而减少导通损耗。其核心优势是：在 CCM 下可实现更低的导通损耗和更高的效率，并且天然支持双向功率流动，适合车载充电机、储能变流器等场景。
图腾柱 PFC 的难点在于：高频桥臂的体二极管反向恢复问题，以及交流过零附近的电流畸变。因此实际方案中常采用宽禁带器件（SiC、GaN）或软开关策略。数字控制需要特别处理过零检测、死区补偿和电流采样时刻，否则容易在过零附近出现尖峰或塌陷。
三、CCM、DCM、CRM：三种工作模式
按电感电流在一个开关周期内是否连续，PFC 可分为连续导通模式（CCM）、断续导通模式（DCM）和临界导通模式（CRM）。三者直接影响电流纹波、开关损耗、控制复杂度和 EMI 特性。
| 模式 | 电感电流特征 | 优点 | 缺点 | 典型应用 |
|---|---|---|---|---|
| CCM | 电流始终大于零，纹波小 | THD 低、EMI 小、适合大功率 | 二极管反向恢复损耗大 | 中大功率 Boost PFC |
| DCM | 电流在每个周期内降到零 | 无反向恢复、控制简单 | 峰值电流大、THD 较差 | 小功率、低成本方案 |
| CRM | 电流刚好降到零时开通 | 无反向恢复、效率较高 | 变频控制、EMI 频谱分散 | 中功率、GaN 图腾柱 |
四、关键波形与基本关系
在 CCM Boost PFC 中，占空比 D 与输入输出电压的关系为：Vo / Vin = 1 / (1 - D)。由于输入电压是正弦半波，占空比也随输入电压变化：输入电压低时占空比大，输入电压高时占空比小。电感电流纹波 ΔIL = Vin × D × Ts / L，因此电感值越大，纹波越小，但动态响应会变慢。
数字控制中，电流环带宽通常设为开关频率的 1/10～1/5，电压环带宽则更低，约 10Hz～20Hz，以避免输入电流波形被电压环调制而产生畸变。采样时刻应避开开关噪声，常采用中点采样或平均电流采样。
五、案例：数字控制 Boost PFC 的启动与稳态
以 3kW Boost PFC 为例，输入 220V AC，输出 400V DC，开关频率 65kHz，电感 300μH。启动阶段先进行软启动，输出电压从整流峰值逐渐升到 400V，避免冲击电流。稳态时，电压环输出电流指令幅值，电流环以 65kHz 频率更新占空比。若电流采样存在相位滞后，输入电流会超前或滞后于输入电压，导致 PF 下降。
// 伪代码：平均电流控制核心步骤
Verr = Vref - Vo_sample;
Imag = PI_voltage(Verr); // 电压环输出电流幅值
Iref = Imag * Vin_sample / Vrms^2; // 电流参考
Ierr = Iref - IL_sample;
D = PI_current(Ierr); // 电流环输出占空比
PWM_set(D);六、常见误区与复盘
- 误区一：认为 PF 只由相位决定。实际上波形畸变同样会拉低 PF，THD 必须与相位一起优化。
- 误区二：在 CCM 下忽略二极管反向恢复。它会带来额外损耗和 EMI，图腾柱 PFC 尤其需要关注。
- 误区三：电压环带宽设得过高。这会把输出电压纹波带入电流指令，造成输入电流波形畸变。
- 误区四：过零附近不处理。图腾柱 PFC 在过零时容易失去电流控制，需要专门的过零策略和死区补偿。
总结来看，Boost PFC 适合中大功率、CCM 为主；图腾柱 PFC 通过无桥化提升效率，但需要处理过零与反向恢复；CCM、DCM、CRM 的选择则取决于功率等级、成本与 EMI 要求。理解这些拓扑与模式，是后续数字环路建模和优化设计的基础。