带数字PFC控制器的高端转换器的重要性

低功率因数通常意味着输入电流质量差和效率低下，这会给供应商、消费者或两者带来成本负担。在交流系统中，低功率因数通常来自遭受失真的输入电流波形，这就是为什么一些国际电气标准对电源电流中的谐波含量有严格限制，以及为什么有源或无源功率因数校正几乎是强制性的。一些情况。

理想交流系统中的功率因数

在正弦交流系统中，功率因数只是电气系统用于产生功的有功功率与总视在功率之间的比率，其中包括由负载产生的电场和磁场产生的无功阻抗引起的有功功率和无功功率。无功阻抗导致电流波形滞后电压波形一个称为相移角的余量，因此我们可以将功率因数表示为电压和电流波形之间的相移角的余弦，并得出结论，功率因数接近最大值随着电流波形和电压波形之间的相移角向零减小，则为 1。

图 1：确定作为相移函数的功率因数

实际交流系统中的谐波失真

在实际交流电源中，输入电流通常是一个复杂的信号，带有多个谐波分量，而初级或基波（与电路电压同相）提供有功功率，而其他谐波则携带大量不可用的能量。

图 2：成分谐波的复合波形

因此，一种方法是从失真因数推导出实际系统中的功率因数，该失真因数基于基波分量之上的所有附加谐波的总和，或总谐波失真 （THD）。因此，PFC 转换器的作用是被动调整或主动重建输入交流电流波形，使它们在相位和形状方面更接近电压信号，并且没有不需要的谐波。

当今交流系统中的 PFC 转换器

功率因数校正基于开关器件（MOSFET、IGBT 等），通过快速切换 PFC 电感器上的电流来塑造输入平均电流波形。PFC 控制器比较电路反馈和参考信号，以确定开关器件的开启和关闭持续时间，从而对相应的 PFC 电感器进行充电和放电。PFC 电感器上的瞬时电流中的振荡被定时以在平均电感器电流中产生小的净增加和减少，PFC 控制器随着时间的推移对其进行管理以产生所需的正弦波形。

图 3：高频开关形成的平均电感波形

PFC 阶段的交错

在高功率应用中，将 PFC 级划分为两个或多个并行 PFC 电路通常是有益的，该过程称为交错。虽然交错增加了电路元件的数量，但每个通道中较低的电流和较低的开关频率可实现更好的整体功率和热量管理、更高的效率，并且由于所需的电感器明显更小，实际上可以降低成本。

图 4：来自三个交错通道的总 PFC 电流

由于 PFC 控制器能够生成驱动各个相位通道的单独 PWM 输出，因此可以实现交错。这些控制器上的固件将始终包含切相逻辑，以在功率要求相对较低时限制使用的通道数量。

交流系统中的高级数字 PFC 控制器

用于现代转换器的数字 PFC 控制器随着替代复杂模拟电路的嵌入式功能的增加以及更大的灵活性和工作范围不断发展。另一个关键优势在于这些控制器上的可编程和可配置固件，它使解决方案设计人员能够实现自己的逻辑并设置特定于应用程序的参数，以使转换器活动与特定设计要求保持一致。

例如，新的STNRGPF01能够管理来自几乎任何标准国际输入电源电压的高达 3 kW 的负载。该控制器实施全面的电源和负载监控，以实现高响应性能和安全管理，以及 3 通道交错，以显着提高整体转换器效率并降低主电感器的成本和尺寸，这在大功率应用中可能相当昂贵。ST STNRG 数字控制器系列的另一款 IC 是最近发布的STNRGPF12，它可以通过两通道交错管理高达 2 千瓦的负载，并具有数字浪涌电流控制功能，可在电流尖峰可能损坏电路时对微妙的启动阶段进行出色管理元素。

下一代 AC 设计中的 ST 评估板和 eDesignSuite

ST 拥有一系列 PFC 和隔离式 DC-DC 数字 SMPS 板和套件，可让您探索和评估专为高端工业应用设计的全功能解决方案。STEVAL-IPFC01V1 3 kW 三通道交错式 PFC 评估板的图片立即展示了其高度紧凑的设计和非常高的功率密度，同时突出了高端 PFC 转换器的另一个重要设计方面，即包含某些模拟电路确保高频开关应用中的最大控制。

事实上，STEVAL-IPFC01V1和更新的STEVAL-IPFC12V1具有模拟传感元件和比较器，可将瞬时波形信息直接反馈回 STNRG 数字控制器，以实现逐周期电流调节，即使在极高的开关频率下也是如此电路。

最后，ST 在其网站上提供了一个名为eDesignSuite的出色设计工具，其中包括一个 PFC 转换器部分，可以真正帮助您在设计阶段提高生产力。该软件不仅能够根据您的设计参数开发具有材料清单和原理图的完整解决方案，而且还可以生成自定义固件，然后您可以将其上传到您的 STNRG 数字 PFC 控制器，以满足您的特定应用需求。

审核编辑：郭婷