主動式PFC與Boost / Buck Converter簡介

功率因數校正（PFC）技術概述

隨著高效能馬達驅動系統、大功率整流設備與電力電子產品在產業自動化、家電、電動車等領域的應用日益廣泛，如何提升輸入電源的能源轉換效率已成為電機與電機驅動系統設計的重要環節。

在此脈絡下，功率因數校正（Power Factor Correction, PFC）技術扮演著調整輸入電流與電壓相位差、降低總諧波失真（THD）以及改善系統功率因數的關鍵角色。透過適當的PFC控制策略，不僅可提升整體能效，亦有助於減少輸配電系統的負載壓力與EMI干擾，並符合國際標準所規範的輸入電流品質要求。

PFC 電路分類

PFC 電路依架構與實現方式可區分為兩大類型：

1. 被動式PFC（Passive PFC）：

透過電感與電容的組合來濾波，進而修正輸入電流，架構簡單且成本較低，但體積較大，對於高頻諧波的抑制能力有限，功率因數改善幅度通常難以超過 0.7~0.8。

2. 主動式PFC（Active PFC）：

透過開關元件與控制電路，動態調節電流波形以逼近輸入電壓的正弦形狀。主動式 PFC 可實現高功率因數（> 0.95）、優異的總諧波失真控制（THD < 10%），並支援寬電壓輸入範圍與高功率密度設計，已成為現代電源系統中的主流方案。

考量到現行法規需求、電源體積縮減趨勢與高效能源轉換的目標，本文將聚焦於主動式 PFC 架構，並介紹其中兩種常見的功率轉換拓撲：Boost Converter 與 Buck Converter。

Boost Converter拓撲與原理簡介

Boost Converter為一種升壓型DC-DC轉換器，可將輸入直流電壓提升至所需的高電壓等級。典型架構包含一個開關元件、一個二極體、一組輸入電感與輸出電容，如(圖一)所示。

(圖一) Boost Converter示意圖

其運作原理可分為兩個階段：

• 導通階段（Switch ON）：開關導通，電源將能量儲存在電感中，負載暫由輸出電容維持供電，如(圖二a)所示。

• 關斷階段（Switch OFF）：開關關斷，電感釋放能量與電源疊加，透過二極體對負載供電，輸出電壓高於輸入，如(圖二b)所示。

(圖二a) Boost Converter導通階段示意圖

(圖二b) Boost Converter關斷階段示意圖

透過控制開關週期（占空比，Duty Cycle），即可穩定調整輸出電壓，並形塑輸入電流波形以符合功率因數校正需求，輸出電壓Vo關係式如下，其中Vi為輸入電壓，D為占空比。

Buck Converter拓撲與原理簡介

Buck Converter為一種降壓型DC-DC轉換器，其功能為將高電壓DC轉換為較低電壓之穩定直流輸出。基本組成與Boost相似，包含開關元件、二極體、電感與輸出濾波電容，如(圖三)所示。

(圖三) Buck Converter示意圖

其運作同樣為兩階段切換：

• 導通階段：開關導通，電流經開關與電感直接流向負載，同時對電感儲能，如(圖四a)所示。

• 關斷階段：開關關斷，電感持續釋能，經由二極體或同步開關提供持續電流給負載，如圖(四b)所示。

  

  (圖四a) Buck Converter導通階段示意圖

  

  (圖四b) Buck Converter關斷階段示意圖

  透過調變開關的占空比，即可精確調控輸出電壓大小，輸出電壓Vo關係式如下，其中Vi為輸入電壓，D為占空比。

  

  
  
  
  

  結論

  對於現代電機與馬達驅動領域而言，主動式PFC技術的導入不僅有助於提升系統能源使用效率，更是實現高功率密度、高可靠性與模組化設計的基礎。

  其中，主動式功率因數校正技術具備低諧波、高功率因數與良好的控制彈性等特性，已成為高效率電力轉換架構的主流設計方向。其中，Boost Converter在升壓與輸入電流整形上具備穩定性與控制線性佳的優點，而Buck Converter則展現出極佳的電壓控制能力與切換效率。

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