单相有源功率因数校正(APFC) 技术被广泛地应用在开关电源、变频家电等领域，在消除谐波电流污染方面起到了非常重要作用。迄今为止，出现了多种PFC 控制算法，如常规乘法器算法、电压跟随器算法、单周期控制器算法等，它们都有一定的优、缺点和不同适用范围。本文根据功率因数校正的工作原理和物理含义，推导了一种新型直接控制算法，并进行仿真分析和试验研究进行验证。如果输入电压和输出功率已知，该直接控制算法还可以进一步简化。另外，在保证良好功率因数校正的前提下，为了很好地表征各种PFC 算法的支持输出功率能力，提出了调功范围的概念。此外，随着智能电网技术、分布式发电技术的发展和应用，出现了单相标准正弦电压源、准正弦电压源、交流方波电压源以及直流电压源，为了提高这些电源的利用率和改善微网的供电状况，上述电压源都必须采取功率因数校正技术，即提出了所谓的方波交流PFC 和直流PFC 等概念。
根据功率因数校正的基本原理和物理意义，理论上推导了一种新型直接控制算法，并通过仿真分析和试验研究进行了验证。结果表明，该方法通用性很强，无需输入电压检测，具有更宽的调功范围，且适合任何输入电压波形，因而在传统交流电压供电或分布式电源应用中，如车载交流正弦波电源、交流方波电源的功率因数校正中具有重要应用价值。为了描述问题方便，提出了调功范围、正弦交流PFC、方波交流PFC 和直流PFC 等概念。
传统单相有源PFC 的工作原理的实质是:在每个开关周期中，借助功率开关S1 有规律的通断过程，通过整流桥和电感L 将电源uac短接，使得电感L 储存能量，然后将全部储能或者部分储能释放到负载侧的直流电解电容，同时获得同步正弦的输入电流波形和稳定的直流输出电压。传统单相有源PFC 的控制策略是电流闭环( 内环) 和电压闭环控制( 外环)，可以获得很好的控制效果。但是，对于采用模拟控制的APFC，同一套参数很难兼顾轻载与重载时校正效果。
对于分布式发电或数码发电等应用，由于交流电压为高质量的交流正弦波电压、交流方波电压或直流电压，即APFC 的输入电压稳定，通过只检测电感电流有效值，就可以直接计算占空比，此时无需检测输出电压，这就是输入交流电压与输出直流电压均不检测的APFC 的工作原理。参考单相正弦交流电源的功率因数概念，为了提高电源的利用率，输入电流波形应该与输入电压波形相似，从而提出了方波交流PFC 和直流PFC 等概念，方波交流PFC 即输入电压为交流方波电压的PFC，直流PFC 即输入电压为直流电压的PFC。
由于该算法能够直接计算PFC 的占空比，因此，具有校正效果好、支持功率范围宽等优点。表面看来，该控制算法由于检测电感电流有效值，存在滞后现象。为了提高快速性和保持稳定性，可以采用滑动平均滤波算法。为了表征APFC 系统支持输出功率的能力，提出调功范围概念，即保证良好功率因数校正时，APFC 系统能够支持的输出功率与最小输出功率之比。
当输出电压U0设置不变，而且输入电压有效值也不变时，随着负载的增加，输出电压瞬时值有下降的趋势，输出电流会上升，电感电流瞬时值上升，此时可以减少k，增大总体占空比，结果输入电流有效值增加，输出电压恢复到设定值，获得新的稳定工作点。同理，可以分析输入电压与输出电压变化时的情况。
设计制作了6. 6 kW 的单相交流正弦电压输入的数字有源PFC 的功率模块,整流桥采用2 只25 A/100 C 扁型整流桥并联,功率开关采用单只80 A/100 C 的SGL160N60UF,FRD 采用单只40 A/100 C 的FFAF40U60DN,升压电感选择40 A的1. 9 mH 硅钢电感,交流吸收电容选择3. 3 F /275VAC 的无感电容,电解电容选择6 只680 F /400 VAC 的电解电容并联,核心控制器选择NEC 1 6 bit PD1 8 F 1 2 0 1 ,固定开关频率为20 kHz.
经过大量的硬件与软件调试,最终实现了输入交流电压150 ～ 265 V、输出直流电压平均值365 V、适合输入频率50 Hz /60 Hz 的数字PFC 功率模块,最小输入电流低于0. 5 Arms、输出直流电流接近40 Arms 的情况下均能获得接近1的输入功率因数,谐波电流分布符合标准IEC61000-3-2: 2000 和IEC 61000-3-12: 2005.
由于该算法能够直接计算PFC 的占空比,因此,具有校正效果好、支持功率范围宽等优点.表面看来,该控制算法由于检测电感电流有效值,存在滞后现象.为了提高快速性和保持稳定性,可以采用滑动平均滤波算法.为了表征APFC 系统支持输出功率的能力,提出调功范围概念,即保证良好功率因数校正时,APFC 系统能够支持的输出功率与最小输出功率之比.
当输出电压U0设置不变,而且输入电压有效值也不变时,随着负载的增加,输出电压瞬时值有下降的趋势,输出电流会上升,电感电流瞬时值上升,此时可以减少k,增大总体占空比,结果输入电流有效值增加,输出电压恢复到设定值,获得新的稳定工作点.同理,可以分析输入电压与输出电压变化时的情况.
