补偿EMI滤波器X电容对有源PFC功率因数的影响

现代开关模式电源将 X 电容器和 Y 电容器与电感器组合使用，以过滤共模和差模 EMI。滤波元件位于任何有源（或无源）功率因数校正 （PFC） 电路的前面（图 1），因此 EMI 滤波器的电抗对功率因数 （PF） 施加的任何失真都会改变完美校正的电压-电流关系。

图 1：典型 PFC 225W 电源的输入级示意图，突出显示了 EMI 滤波器中 ~680 nF 的 X 电容，连接在 L 相和 N 相之间

高于 75W 输入时，当输出功率处于最大标称功率时，通常需要有源 PFC 才能实现大于 0.9 的 PF。直到最近，这种满载要求在设计输入滤波器时都非常有用。随着负载的增加，电源的阻性输入阻抗会降低并最终淹没X电容的无功阻抗，从而主导整个功率转换引擎的PF。在轻负载和高压线路上，PSU输入阻抗最高，PF将因X电容而降低（图2）。

图 2：在整个负载范围（230VAC 输入）中，通过向理想系统（单位功率因数）添加增加的 X 电容（共模）对 PF 的平均影响

然而，一些现代标准，如80 PLUS钛PC标准（20%负载下的PF > 0.9），开始要求PF在轻负载下很高。如果配电网络并行暴露给大量机器，这是有道理的。在轻负载下并行运行的多个设备、显示器或计算机可能（并且将）通过在低 PF 下提供大量需求来压倒本地网络的 VA 电源能力，从而产生不可持续的视在功率需求。由于许多电机的共模效应，电器通常使用较大的 X 电容值，因此这是设计中 X 电容可能较大的另一个原因。最后，与滤波电感器相比，X电容相对便宜，因此应用更多或更大的X电容而不是增加EMI滤波电感器的尺寸具有吸引力。

“蛮力”方法可能是在系统的输入端增加电感以减少容抗，在某些情况下，这可能是可行的。然而，一个更优雅的解决方案是让PFC级监控输入电压和输入电流-相位关系，然后在轻负载时对PF功能应用校正因子。这具有在其校正算法中引入电流相位滞后的效果，以将整个系统功率因数恢复到统一状态。图 3 显示了基于 Power Integrations 的 HiperPFS-5 IC 系列的高级有源 PFC 设计，该系列是一款集成了 750V PowiGaN 开关的高级 PFC 控制器 IC，针对整个负载范围内的高 PF 和效率进行了优化。

图 3：PFC 250W 电源的输入级。PFC 采用变频准谐振 DCM 控制技术，以及 GaN 电源开关，在整个负载范围内提供非常高的效率，同时保持低升压电感。

功率因数增强 （PFE） 通过使校正电流波形失真来补偿输入电容的相位失真，从而提高功率因数。它还降低了输入电流形状失真的影响（电流正弦波的失真，特别是在过零处，将增加总谐波失真，在另一篇文章中讨论）。

图4显示了实际电源的PF，负载了人为的高输入电容（650 nF）。PFE 功能可将功率因数提高多达 10%，最高可达约 75W 负载。

图 4：随着负载增加（230VAC 和 265VAC），具有活动 PFE 和 PFC 模块上禁用 PFE 功能的 225W 电源的 PF

通过向PF控制引擎添加失真信息，可以显著降低输入电容对PF的失真。该电路可自动补偿输入阻抗的变化，确保准确的PF，尽管滤波器组件的生产公差和各种工作条件。系统支持严重失真的输入电压波形（例如发电机或逆变器输入）的能力在另一篇文章中进行了介绍。

审核编辑 黄宇