总谐波失真 （THD） 是电源转换器设计中的一个关键指标。低 THD 转化为更高的功率因数 （PF）、更低的峰值电流和更高的效率。在本文中，我们将回顾德州仪器 （TI） 系统工程师兼技术人员 Bosheng Sun 关于如何在功率转换器的功率因数校正 （PFC） 阶段降低 THD 的一些技巧。
PF 和 THD
功率变换器中的 PF 定义为平均功率 （P平均） 与所有频率 （V有效值×我有效值):
PF = P平均÷ (V有效值×我有效值) (1)
PF 可以表示为两个项的组合，如公式 2 所示：
位移因数与非电阻负载可能产生的电压和电流之间的相位差有关，可以定义为：
位移系数 = cos （v– 我) (3)
其中 v和 我是电压和电流的相位角。
失真因数定义为基频电流与总电流的比率，可以表示为：
变形系数 =我1均方根÷我有效值 (4)
而 THD 定义为：
THD = Sqrt（所有非基频电流的均方）÷我1均方根 (5)
公式 4 和 5 合在一起得出：
失真因数 = Sqrt （1 ÷ （1 + THD）2) (6)
公式 1 中的 PF 可以写成：
PF = cos （v– 我） × 平方 （1 ÷ （1 + THD）2) (7)
THD 要求变得更加严格。表 1 列出了针对服务器电源的模块化硬件系统通用冗余电源 （M-CRPS） 规范。
M-CRPS THD 规格。
表 1：M-CRPS THD 规格（来源：Texas Instruments）
降低 THD 的技巧
下面，我们总结了一些降低 THD 的技巧。
软启动以减少过零点时的电流尖峰
无桥图腾柱 （BTP） 架构在电路的快速腿中使用基于 GaN 或 SiC 的器件，正在获得广泛认可。它具有效率高、拓扑结构简单、组件较少等优点。交流过零点处的电流尖峰是 BTP PFC 的固有问题。已经开发了一种脉宽调制 （PWM） 软启动算法来减少这些尖峰。如图 1 所示。在这里，高速支路由 FET Q3 和 Q4 形成，而 Q1 和 Q2 以线路频率切换。在正交流循环开始时，Q4 首先以非常小的脉冲导通，其占空比 （D） 逐渐增加。这有助于将开关节点漏源电压放电至零。一旦 Q4 的软启动完成，Q3 以一个小脉冲导通，然后逐渐增加，直到脉冲宽度达到 1-D。一旦 Q3 的软启动开始，低频开关 Q2 就会打开。在 AC 半周期结束时，所有开关均关闭，形成一个盲区，防止输入 AC 短路。
BTP PFC 电路和软启动 PWM 技术用于减少过零电流尖峰。
图 1：BTP PFC 电路和用于减少过零电流尖峰的软启动 PWM 技术（来源：Texas Instruments）
这种软启动技术对波形的改进如图 2 所示。
使用传统方法 （a） 和软启动 PWM 技术 （b） 的 BTP PFC 电流波形。
图 2：使用传统方法 （a） 和软启动 PWM 技术 （b） 的 BTP PFC 电流波形（来源：Texas Instruments）
干净的感应信号
交流线路电压、电感电流和输出电压的感应信号由 PFC 控制器使用。这些信号需要干净以降低 THD。去耦电容器通常使用在控制器的输出电压检测引脚附近。必须仔细选择，以减少噪声，同时不增加延迟。PFC 电压环路通常很慢，因此数字无限脉冲响应滤波器可能很有效。对于交流电压感应，建议使用固件锁相环来产生与交流电压同相的正弦波，然后可用于调制电流参考。
对 PFC 电感电流进行过采样
PFC 电感电流是一个锯齿波，在馈送到 PFC 控制器之前，它通过信号调节电路（如运算放大器）获取。电流的过采样使电流纹波平均;因此，测得的电流信号更接近平均值。这使得控制器对来自输入电流纹波的噪声不太敏感。例如，每个开关周期采样 8 次。
交流周期跳跃
在轻负载下，M-CRPS 中的 THD 规格很难满足。在这种情况下，可以使用 AC 跳线。PFC 可以在交流过零点处跳过一个或多个周期。在此期间，由于电流为零，因此 THD 为零。在未跳过的周期期间，PFC 操作处于类似于中等负载的功率水平，在此期间，与轻负载相比，THD 值有所改善。
占空比前馈
预先计算的占空比 （d快） 根据公式 8。然后将该前馈占空比添加到传统的平均电流模式控制输出中。
d快 = (V外–V在) ÷V外 (8)
因此，大部分占空比由 d 产生快，并且控制 Loop 仅进行轻微调整。环路带宽有限的控制器可以从这种方法中受益。
用于双线频率纹波的陷波滤波器
V 之间的数字陷波滤波器外检测到的信号和电压环路可以衰减双线频率纹波，同时仍通过其他频率信号。这可以提高 THD，同时不会影响负载瞬态响应。也可以尝试其他方法，例如感应 V外在代表稳态的 AC 过零点处，并将其与瞬时 V 进行比较外在电压环路中产生补偿响应。
THD 结果
上述 THD 改进技巧是在 3 kW BTP 参考设计中实现的。结果如图 3 所示。240 V 时的 THD交流在整个负载范围内满足 M-CRPS 规范，具有良好的裕量。
3 kW BTP PFC 参考设计的 THD 结果。
图 3：3 kW BTP PFC 参考设计的 THD 结果（来源：Texas Instruments）
