3. PFC基础原理
在OBC（车载充电机）的PFC级设计中，Boost拓扑几乎是默认选择。原因并不复杂：Boost电感位于输入端，输入电流连续、EMI相对可控，且输出电压可以高于输入峰值电压，便于后级LLC获得稳定的高压母线。但真正决定PFC性能的，并不是“用了Boost”，而是电感电流在开关周期内处于什么工作模式，以及控制器如何通过电流环把输入电流“整形”成正弦波。
一、核心原理：为什么需要PFC
交流输入经二极管整流后直接接大电容滤波，输入电流只在输入电压峰值附近出现窄脉冲，电流波形严重畸变。其后果是：
- 功率因数PF很低，通常只有0.5～0.65；
- 电流谐波含量高，THD可达100%以上；
- 无功和谐波电流占用线路容量，干扰电网和其他设备；
- 无法满足IEC 61000-3-2等谐波限值标准。
PFC的本质，是让输入电流跟随输入电压的波形和相位，使负载从电网看进去近似为一个纯电阻。对于Boost PFC，控制目标是：电感电流平均值正比于整流后的输入电压，同时输出电压稳定在设定母线电压。
关键关系：PF = 有功功率 / 视在功率；THD = 总谐波有效值 / 基波有效值。理想正弦且同相时，PF = 1，THD = 0。实际设计中，PF通常要求 > 0.95，THD 要求 < 10%，部分OBC项目要求满载THD < 5%。
二、Boost PFC的三种工作模式：CCM、DCM、CRM
Boost PFC的工作模式由电感电流在一个开关周期内是否连续、是否降到零决定。三种模式的控制方式、器件应力和适用功率段差异明显。
| 模式 | 电感电流特征 | 控制方式 | 适用功率 | 主要优缺点 |
|---|---|---|---|---|
| CCM | 整个周期电流连续，始终大于零 | 平均电流控制，需乘法器和电流环 | 中大功率，OBC常见 | 电流应力小、EMI好；需电流采样和补偿 |
| DCM | 电流在每个周期内降到零并保持一段时间 | 电压型控制，占空比随输入变化 | 小功率 | 控制简单、无反向恢复；峰值电流大、THD较差 |
| CRM | 电流刚好降到零时开通，边界导通 | 变频控制，零电流开通 | 中小功率 | 无反向恢复、效率高；开关频率随负载变化 |
在OBC PFC中，6.6kW及以上功率段通常采用CCM平均电流控制，以降低电感电流峰值和导通损耗；3.3kW及以下有时采用CRM或DCM以简化控制。需要强调的是，同一台PFC在轻载时可能进入DCM，这是由电感量、开关频率和负载共同决定的，并非控制器主动切换。
三、输入电流整形的基本方法
输入电流整形的核心是让电感电流的包络跟随整流电压。以CCM平均电流控制为例，其信号链如下：
- 采样整流后的输入电压，得到半波正弦电压信号；
- 采样输出电压，与基准比较后经电压环输出误差信号；
- 将输入电压信号与电压环输出相乘，得到电流环基准；
- 采样电感电流，与电流基准比较，经电流环产生占空比；
- PWM驱动开关管，使电感电流平均值跟踪基准。
这一结构使输入电流既跟随输入电压波形，又受输出电压环调节，从而实现高PF和稳定母线。若电流环带宽不足，输入电流会在过零附近出现畸变，THD升高；若电压环带宽过高，则输出电压会调制输入电流，同样恶化THD。
四、功率因数与THD的基本概念
功率因数PF定义为有功功率与视在功率之比。在正弦电压、非正弦电流的情况下，PF由两部分组成：
PF = cosφ × 1 / √(1 + THD²)
其中：
cosφ —— 基波电流与电压的相位差因数
THD —— 电流总谐波畸变率
THD = √(I2² + I3² + I4² + ... ) / I1 × 100%这意味着，即使相位差为零，只要THD不为零，PF也无法达到1。例如THD为10%时，PF上限约为0.995；THD为30%时，PF上限约为0.958。因此，提高PF的关键在于降低THD，而不仅仅是调相位。
在OBC PFC设计中，THD通常关注到40次谐波，因为IEC 61000-3-2对Class D类设备有明确的奇次谐波限值。实际测试中，THD会随输入电压和负载变化：低压满载时THD往往最差，因为此时输入电流大、过零畸变明显。
设计提示：CCM平均电流控制中，电流环在过零附近的带宽和采样精度直接决定THD。若在过零处出现电流台阶或死区，THD会显著上升。可通过过零补偿、提高采样速率或采用无桥拓扑改善。
五、案例与场景：6.6kW OBC PFC模式选择
以6.6kW OBC为例，输入90～264V，输出母线400V。若采用CCM Boost PFC：
- 输入电流有效值在低压满载时约 6600 / 90 ≈ 73A，峰值约103A；
- 电感电流连续，峰值约为平均值的1.2～1.5倍，开关管和二极管电流应力可控；
- 开关频率通常选65kHz～100kHz，兼顾效率和EMI；
- 轻载时电感电流可能进入DCM，THD会变差，需在控制策略中做轻载补偿。
若采用CRM，开关频率随输入电压和负载变化，低压满载时频率可能降到20kHz以下，导致电感体积增大、音频噪声风险上升。因此，6.6kW及以上OBC更倾向CCM。
六、常见误区与复盘
误区1：认为PF高就等于THD低。实际上PF还包含相位因素，但PFC电路中相位差通常很小，THD才是主要矛盾。
误区2：忽略轻载模式变化。CCM控制器在轻载时可能进入DCM，若不做补偿，THD会急剧恶化。
误区3：只关注满载PF，忽略低压满载THD。OBC认证测试通常要求在最低输入电压下仍满足THD限值。
误区4：电流采样走线过长或滤波过度，导致电流环相位滞后，过零附近电流畸变，THD升高。
复盘时，建议按以下清单逐项检查：
- 确认电感量在最恶劣工况下仍能维持目标模式；
- 检查电流采样是否在开关噪声窗口外采样；
- 验证电压环带宽是否足够低，避免调制输入电流；
- 测量低压满载和轻载下的THD，确认全范围满足要求；
- 观察过零附近电流波形，必要时加入过零补偿。
理解CCM、DCM、CRM的差异，以及输入电流整形与PF、THD之间的定量关系，是后续LLC联合设计的基础。PFC级输出的母线电压稳定性、纹波和动态响应，会直接影响LLC的工作点和整体效率。只有在PFC级把输入电流“整形”好，后级LLC才能在一个干净、稳定的高压母线上高效工作。