EC-61000-3-2 标准定义了给定功率水平允许的最大谐波电流。2005 年第 3 版对 1995 年和 2001 年标准的初始版本进行了更改。它对（D 类）PC、显示器和电视的电力线谐波电流提出了更严格的要求，每相功耗在 75 和 600 W 之间，=16 A . 为了满足这些要求，设计人员必须在 D 类电源中采用有源 PFC。
许多 PFC 电路采用升压转换器。传统升压 PFC 转换器的一个限制是它只能通过整流交流线路工作，这涉及两级功率处理（图 1）。
图1
转换器生成的波形更好地说明了这个问题（图 2）。此外，在传统升压转换器中引入隔离也没有简单有效的方法。
图2
使用升压转换器的全桥扩展，然后作为 PFC 转换器进行控制，是引入隔离的一种方式（图 3）。然而，这增加了初级侧的四个晶体管和次级侧的四个二极管整流器的复杂性，它们都在例如 100 kHz 的开关频率下工作。此外，输入桥式整流器中还有四个二极管，工作在 50/60Hz 的线路频率下
图3
除了低频正弦电流外，线路电流还会在高开关频率下叠加输入电感纹波电流，需要通过交流线路上的附加高频滤波器将其滤除。在硬开关模式下工作的 12 个开关的存在导致高导通和开关损耗。这种两级方法及其辅助开关设备的最佳效率为 87%。
由于升压直流转换增益，这种方法还存在启动问题。它需要额外的电路来对输出电容器进行预充电，以便转换器能够启动。
为了实现 1 kW 或更高的功率，设计人员通常采用三级方法（图 4）。这里，标准升压 PFC 转换器和隔离降压转换器跟随输入的桥式整流器。这总共需要 14 个开关。这些开关中至少有六个是高压的，这进一步降低了效率并增加了成本。尽管如此，基于目前最好的开关器件的最高效率达到约 90%，它比两级方法要好。
图4
对于中低功率，还有一种替代方法，即通过将正向转换器用于隔离级来减少开关数量（图 5）。在走这条路之前，必须意识到虽然现在有 10 个开关，但正向转换器中的四个开关器件对初级和次级侧开关施加的电压应力比全桥解决方案更大。此外，全桥解决方案需要四个磁性元件。
图5
无桥 PFC 转换器
TESLAco总裁 Slobodan Cuk 博士在这个领域开辟了新天地，开发了一种直接从交流线路工作的无桥 PFC 转换器。它号称是第一款真正的单级无桥 AC-DC PFC 转换器。
为了实现这一壮举，Cuk 采用了一种新的开关电源转换方法，称为“混合开关”。它采用仅由三个开关组成的转换器拓扑：一个可控开关 (S) 和两个无源电流整流器开关（CR1 和 CR2）（图 6）。两个整流器根据输入交流电压的正极性或负极性的主开关 (S) 的状态打开和关闭。这种拓扑结构由一个与输入串联的电感器、在部分开关周期中充当谐振电容器的浮动能量传输电容器和一个谐振电感器组成。
由于基于 PWM 方波开关的传统转换器使用电感和电容，因此它们需要互补对开关。当一个开关打开时，其互补开关关闭，反之亦然。因此，与新的混合开关 PFC 转换器中的奇数（三个）相比，只允许偶数个开关。
在此设置中，不存在此类互补开关。一个有源开关 S 单独控制两个二极管，它们的作用会根据交流输入电压的极性自动改变。例如，对于交流输入电压的正极性，CR1 在开关 S 的导通时间间隔内导通。那么，对于交流输入电压的负极性，CR1 在开关 S 的关断时间间隔内导通。CR2 也响应自动进入开关 S 和输入交流电压极性的状态。对于正极性，它在开关 S 的关断时间间隔内导通；对于负极性，它在开关 S 的导通时间间隔内导通。
因此，三个开关在输入交流线电压的正半周期和负半周期都始终工作。因此，这种真正的无桥 PFC 转换器在没有全桥整流器的情况下运行，因为转换器拓扑实际上执行交流线路整流。最终结果是输入交流线路电压的任一极性都具有相同的直流输出电压。取消全桥整流器直接消除了损耗，尤其是对于 85V 低压线路。
初级侧的有源开关 S 以开关频率进行调制和操作，其测量值比线路频率高三个数量级（例如，50 kHz 开关频率与 50/60 Hz 的低交流线路频率相比）。占空比 (D) 可以根据控制开关 S 的导通时间和所有稳态量（例如直流转换比）来定义，电感器 L 的直流电流用 D 表示。
随后，检测全波输入线路电压和输入线路电流，并将其作为输入发送到无桥 PFC IC 控制器。反过来，控制器调制初级侧的开关 S 以强制输入线路电流与输入线路电压成比例，从而提供所需的单位功率因数。
该 PFC 转换器真正显着的特性是电隔离扩展保留了与图6中的三开关转换器相同的简单性。基本上，谐振电容器分成两个串联，隔离变压器插入它们的分裂点。
图6
数控PFC
用于电源的低成本、高性能数字控制器的可用性导致它们在 PFC 设计中的使用。数字控制器提供可编程配置、非线性控制、部件数量少以及实现复杂功能的能力，而这些功能通常用模拟方法难以实现。
大多数当今的数字电源控制器，例如德州仪器的 UCD3020，都提供集成电源控制外设和电源管理内核，包括数字环路补偿器、快速模数转换器 (ADC)、高分辨率数字脉冲- 具有内置死区时间、低功耗微控制器等的宽度调制器 (DPWM)。它们支持复杂的高性能电源设计，例如无桥 PFC。
例如，无桥 PFC 可以包含两个 DC-DC 升压电路：L1、D1、S1 和 L2、D2、S2 （图7）。D3 和 D4 是慢恢复二极管。分别感测参考内部电源接地的线路和中性线电压可实现输入交流电压测量。通过比较感应到的线路和中性信号，固件可以判断它是正半周期还是负半周期。在正半周期内，第一个 dc-dc 升压电路 (L1-S1-D1) 处于活动状态，升压电流通过 D4 返回到交流中性点。在负半周期期间，L2-S2-D2 处于活动状态，升压电流通过 D3 返回到交流线路。
图7
与使用相同功率器件的传统单相 PFC 相比，无桥 PFC 和单相 PFC 应具有相同的开关损耗。但是，无桥 PFC 电流在任何时候都只通过一个慢速二极管（D4 用于正半周期，D3 用于负半周期）而不是两个。因此，效率的提高依赖于一个二极管和两个二极管之间的传导损耗差异。
无桥 PFC 效率也可以通过完全打开非活动开关来提高。例如，在正周期期间，S2 可以完全开启，而 S1 由 PWM 信号控制。由于当流过的电流低于某个值时，MOSFET S2 上的压降可能低于 D4，因此返回电流部分或全部流过 L1-D1-RL-S2-L2，然后返回交流源。这降低了传导损耗并提高了电路效率，尤其是在轻负载时。类似地，在负循环期间，S1 完全开启，而 S2 正在切换。
在输入交流电压和直流输出电压相同的情况下，输出电流与电压环输出成正比。有了这些知识，就可以相应地调整频率和输出电压。固件在数字控制器中实现电压环路。因为输出是已知的，所以很容易实现此功能，并且比模拟方法成本更低。