傳統的離線開關模式功率轉換器會產生帶高諧波含量的非正弦輸入電流。這會給電源線、斷路開關和電力設施帶來壓力。此外，諧波還會影響連接同一電源線的其他電子設備。在應用于開關模式電源之前對輸入電流整形的有源功率因數校正器(PFC)可以解決這個問題。
自從歐盟建立了針對電子設備的EN61000-3-2標準和A14修正案以來，PFC變得更為重要。該標準規定允許ac線電流諧波。規定視輸入功率、產品類型和特定的諧波而有所不同。原始設備分類和A14修正案分類列表見下表。
人們最感興趣的是D類規定，因為它涉及了PC、計算機監視器和電視接收器。其他設備只需滿足A類規定。為了了解PFC如何工作，我們首先來看一下功率因數的基本概念。功率包括兩部分：實際功率(W)和視在功率(伏安或VA，vars =無功功率，而不是總VA)。當純正弦波施加于阻性負載和無功負載時，功率因數的矢量關系為：
其中cosθ = 電壓與電流之間相位角的余弦值；
Vin = RMS輸入電壓
Iin = RMS輸入電流
無功負載可以是電感性或電容性的，以產生分別具有延遲(正)或超前(負)電壓的相位角的電流。如果視在功率相對于實際功率非常高的話，則功率因數趨近于零。但如果視在功率等于實際功率，則相位角為零且功率因數為1。因此，PFC的目標之一是使功率因數盡可能接近于1，以使負載盡可能接近純電阻性負載。
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原始設備分類和A14修正案分類列表 |
式(1)僅對純電壓和電流正弦波成立。對于非正弦波輸入電流，即電源有整流輸入時，情況有所不同。要找出原因，請參見圖1，該圖顯示了典型的電源整流輸入，以及得到的輸入電流和輸入電壓波形。
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圖1：該圖顯示了典型的電源整流輸入，以及得到的輸入電流和輸入電壓波形。 |
這里，整流器和輸入電容器使電源產生短脈沖(而不是純正弦波)的輸入電流。僅當輸入電壓接近其峰值時，電容器才會充電，此時它會產生高峰值電流、高RMS值和約0.6的功率因數。
對典型整流器輸入的傅利葉分析顯示，在輸入電流中主要為奇次諧波(圖2)。也有一些偶次諧波，但其振幅相對較低。在帶有諧波的非正弦波輸入電流的情況下，功率因數包含與相位角相關的位移因數和與波形相關的失真因數。
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圖2：對典型整流器輸入的傅利葉分析顯示，在輸入電流中主要為奇次諧波。 |
這樣會產生如下關系：
其中，
PF = 功率因素
Irms(1) = 電流的基礎諧波分量
Irms = 電流的總RMS值
Kd = 失真因數
Kθ ?= 位移因數
因此，對于開關模式電源產生的非正弦電流波形，PFC必須最大程度地減小輸入電流失真，并使輸入電流與輸入電壓同相。
升壓轉換器PFC
為了制造PFC，升壓轉換器得到了廣泛的采用。來自幾家制造商的IC簡化了特別針對PFC應用的升壓轉換器的實現過程。最基本的形式是開關對升壓電路進行控制(圖3)。閉合開關使電流流入電感器。斷開開關使電流通過二極管輸出。由于電容通過電感電流充電，多次開關循環使電容器達到輸出電容電壓。得到的輸出電壓比輸入電壓更高。
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圖3：最基本的形式是開關對升壓電路進行控制。 |
在更具體的電路(圖4)中，PFC IC提供內部控制電路，而且一個外部功率MOSFET替代了圖3中的機械開關。該電路在升壓轉換器的輸出端(而不是在二極管整流器之后)采用了大能量儲能電容器。對升壓轉換器的每個高頻開關周期進行平均時，電感器電流(它對該電容器充電)受到控制，從而與低頻輸入電壓波形成比例。
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圖4：在更具體的電路中，PFC IC提供內部控制電路，而且一個外部功率MOSFET替代了圖3中的機械開關。 |
升壓轉換器的輸入電壓范圍在零到ac輸入的峰值之間。為了正常工作，升壓轉換器必須同時滿足：
- 升壓轉換器輸出電壓必須高于電源電壓的峰值。通常采用385V直流電，允許連接270V ac rms的高電源線；
- 任何情況下從電源線汲取的電流必須與電壓成正比。
升壓轉換器電壓高于輸入電壓，可使轉換器以ac電源電壓的相同相位汲取電流，最大程度地減少了諧波。
這種升壓轉換器配置成為功率因數修正的SMPS或開關模式電源(圖4)的前端。由于它只提供PFC功能，升壓轉換器被認為是一種獨立PFC電路。
臨界傳導模式
臨界傳導模式PFC IC工作于在連續和非連續模式之間。要了解臨界傳導模式，可以比較一下返馳式轉換器等開關模式設計中非連續模式與連續模式之間的不同。
在非連續模式下，開關開啟時變壓器的磁化電感從零電流開始充電。然后，在開關關閉之后放電至零。然后，在開關重新開啟前，在截止時間內保持為零電流。在連續模式下，磁化電感不會完全放電，所以每次開關開啟時，它從某一個正電流值開始充電。
在臨界傳導模式下，截止時間為零，且僅當電感器電流達到零時開關才開啟。Ac線電流的均值為一連續波形，而峰值開關電流為平均輸入電流的兩倍。在這種模式下，工作頻率隨導通時間恒定而變化。
平均電流模式
在連續平均電流模式下工作涉及帶有一個增益調節器的PFC控制器IC，增益調節器有兩路輸入和一路輸出。在增益調節器末端的另一路輸入來自電壓誤差信號放大器。誤差信號放大器將穩定的參考電壓與升壓二極管之后的輸出電壓的一部分進行比較。誤差信號放大器具有低帶寬，以使它不會受輸出的突然變化或紋波電壓的影響。之后，增益調節器將使參考電流和誤差信號放大器輸出翻倍。
增益調節器將其輸出電流(IGM)發送至電流放大器，隨后電流放大器將其輸出施加到驅動RS正反器的比較器。其結果是，脈沖寬度調節(PWM)電路對功率MOSFET的開關進行控制。
該獨立PFC控制器中的關鍵模塊包括電流控制環路、電壓控制環路、PWM控制和增益調節器模塊。電流控制環路迫使電感電流波形隨輸入電壓波形的變化而變化。連續電感電流升壓調節器的輸出電壓必須設為超過輸入電壓的最大峰值，以使PFC正常工作。輸出應該為最大RMS輸入電壓的1.414倍。此外，內部電流放大器必須具有足夠的帶寬，以在達到所希望的電流門限時立即關閉開關。
增益調節器模塊和電壓控制環路協同工作，分別采集輸入電壓和輸出電壓。輸出電壓被與內部參照進行比較，產生誤差信號，隨后它被與輸入電壓相乘，以設置電流控制環路的門限。該門限被與輸入(開關)電流進行比較，以確定PWM工作周期。PWM控制采用后緣調變。
輸入電流整形
輸入電流整形是連續電流模式PFC的另一種控制方法，這種方法不同于傳統/典型的平均電流模式PFC控制器。這種PFC配置不需要輸入電壓信息和乘法器(增益調節器)。它按照誤差信號放大器輸出電壓改變內斜坡的斜度，而電流傳感信息和斜坡信號被用于確定開啟時間。如圖5中所示，當電流傳感電壓達到內斜坡信號時PFC開關開啟。一個內部時鐘信號會關閉開關。
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圖5：當電流傳感電壓達到內斜坡信號時PFC開關開啟。 |
為控制輸出電壓，PFC IC對內斜坡信號的斜度進行調整。如果斜度增加，則平均電流增大；如果斜度減小，則平均電流減小。采用連續模式特性，在開啟時電感電流與正弦波形成正比。因此，在一個開關周期中電感電流最小值隨正弦電流參考而變化。當然，在一個開關周期內的電感電流峰值不是根據正弦參考進行控制的。所以，平均電感電流可以不是正弦波。為使平均電感電流接近于正弦參考，必須有足夠高的感應以減小電流紋波。