在现代电力电子技术领域，功率因数校正（PFC）电路是一个关键的组成部分，它对于提高电能利用效率、减少电网谐波污染起着至关重要的作用。本文将详细介绍 PFC 电路的多种类型，重点探讨图腾柱 PFC 电路的工作模态，以及电感电流的三种工作模式。

PFC 功率因数校正电路

PFC 的核心目标是让电网侧输入电流和输入电压实现同频同相，通过精确的控制逻辑，使整个电路呈现出阻性状态。一般而言，BOOST 电路拓扑常被用于实现 PFC 功能。这是因为 BOOST 电路的直接与输入源相连，能够显著减小输入电流的脉动。同时，该电路本身具备升压功能，在一些光伏并网逆变器中，还被广泛应用于实现对光伏电池（PV）的最大功率点跟踪（MPPT）功能。

传统式 BOOST 型 PFC 电路

传统整流桥式 BOOST 型 PFC 电路具有结构简单、电磁干扰（EMI）特性良好以及驱动电路设计相对容易等优点。然而，该电路也存在明显的不足。其前级整流电路和 S1 开关管在工作时，有 3 个管子同时导通，这导致电路的导通损耗较大。此外，电路体积较大，不利于实现高效率和高功率密度。

基本无桥 PFC 电路

基本无桥 PFC 电路由两个开关管和两个构成，这种设计极大地减少了开关管的数量，从而有效降低了电路损耗。其驱动电路也并不复杂。但在交流输入负半周时，开关管 S2 作为高频开关管需要频繁开通和关断，这使得交流输入和输出直流地之间存在高频跳变点，导致电路的共模噪声较大。

改进型双 Boost 型 PFC 整流电路

为了解决基本无桥 PFC 电路的电磁问题，改进型双 Boost 型 PFC 整流电路在其基础上增加了电感元件，同时增加了一组慢速二极管作为工频开关管。这样可以确保在整个工频周期内，交流电源和输出直流地之间不存在高频跳变点。不过，这种改进也带来了一些新的问题，如器件数量增多导致成本增加，电路的可靠性也有所降低。

图腾柱 PFC 电路

图腾柱 PFC 电路是在无桥 PFC 电路的基础上，对开关管的位置进行了更换。其中，S1 和 S2 用作高频桥臂，D1 和 D2 用作低频管。这种拓扑结构使得不论在交流输入的正负半周，输入交流源和输出直流地之间都不存在高频跳变点，从而极大地减小了共模干扰。此外，该电路的通态损耗相对较小，效率较高。在混网逆变器中，由于 AC - DC 是双向运行的，图腾柱 PFC 电路的四个管子都采用全控型器件，不使用二极管，这样可以正向实现 PFC 功能，反向实现逆变功能。

单相图腾柱 PFC 工作模态

在单相图腾柱 PFC 电路中，前桥臂 Q1 和 Q2 高频开关管可选用 SiC MOSFET，后桥臂 Q3 和 Q4 可用普通 Si MOSFET。SiC MOSFET 开关管具有诸多优势，如更低的开关损耗、更高的耐压能力、更低的导通电阻和更小的泄露电流，并且在关断时不存在电流拖尾现象，相较于 Si MOSFET 可以适应更高的工作频率。

前桥臂进行高频通断，后桥臂则依据网侧电压的正负进行工频互补通断。在一个工频周期内，该电路可以分为四个模态：

• 模式一：当电网电压处于正半周时，Q4 和 Q2 导通，Q1 和 Q3 关断。此时，交流输入流经 Q4 和 Q2，构成给网侧电感 L 充电的蓄能回路，电感电流正向升高。同时，母线电容和负载构成回路，电容向负载输出，母线电压处于下降阶段。
• 模式二：同样在电网电压正半周，Q4 和 Q1 导通，Q2 和 Q3 关断。交流输入流经开关管 Q4、Q1 和网侧电感 L，构成给母线电容 C 和负载的供电回路，电感电流正向下降，母线电压处于上升阶段。
• 模式三：在电网电压负半周，Q3 和 Q1 导通，Q2 和 Q4 关断。交流输入流经 Q1 和 Q3，构成给网侧电感 L 充电的蓄能回路，电感电流反向上升。母线电容和负载构成回路，电容向负载输出，母线电压处于下降阶段。
• 模式四：电网电压负半周时，Q2 和 Q3 导通，Q1 和 Q4 关断。交流输入流经开关管 Q2、Q3 和网侧电感 L，构成给母线电容 C 和负载的供电回路，电感电流反向下降，母线电压处于上升阶段。

电感电流的工作模式

依据电感电流是否连续，可将其工作模式划分为连续导通模式（CCM）、临界连续导通模式（CRM）和断续导通模式（DCM）三种。不同模式对应的电感电流波形如下所示：

• CCM 模式：在该模式下，电感电流纹波较小。但在同功率等级下，需要功率电感的感量和体积也会相应较大。在单开关周期内，电感电流不过零，开关管处于硬开关状态。若使用 Si 器件作为高频开关管，会存在严重的反向恢复问题。对于 CCM 模式的图腾柱 PFC，常采用平均电流模式进行控制，开关管工作在定频状态。考虑到开关管电流应力、前级滤波参数等因素，该模式通常应用在大功率场合。
• CRM 模式：电感电流在单开管周期内存在过零点，可实现零电流关断，从而避免了使用 Si 器件带来的反向恢复问题。工作于 CRM 下的 PFC 电路功率因数也相对较高。为了保持功率恒定，对应的电感电流峰值增大，这对开关管的耐流能力要求较高。开关管处于工作状态，会引入大量谐波，通常应用于中小功率场合。
• DCM 模式：该模式下单开关周期内电感电流也存在过零，开关管可以工作在软开关状态。在保证功率传输的情况下，电感电流峰值更大，对开关管的电流应力要求更高，而且还会产生较大的电磁干扰（EMI），通常用于小功率场合。