Analysis of Common Power Factor Correction Topologies in Switch-Mode Power Supplies

eng Artykuł w języku angielskim DOI: 10.14313/PAR_259/71

wyślij Rafał Kasikowski Lodz University of Technology, Faculty of Electrical, Electronic, Computer and Control Engineering, Institute of Electronics, al. Politechniki 8, 93-590 Łódź

Pobierz Artykuł

Abstract

Nonlinear load characteristics intrinsic to switch-mode power converters lead to elevated harmonic distortion levels in the AC mains. This power quality degradation must be counteracted by implementing Power Factor Correction (PFC) techniques, frequently in the form of supplementary modular circuitry. The most widely adopted solution employs an active PFC configuration comprising inductive components and power switches that regulate and modify the converter’s input current, shaping it to mirror both the phase and waveform of the input voltage. This modelling of the mains current shape can be performed by means of various PFC topologies combined with distinct conduction modes of the PFC inductor. This paper provides an overview of PFC circuitry designs, including boost-type topologies and their derivatives, the flyback-topology-based configuration, and the bridgeless totem-pole architecture noted for its superior power conversion efficiency. A detailed theoretical analysis of the power factor correction problem is presented, along with descriptions of the main operational characteristics of the examined PFC topologies. The study is further supported by oscilloscope screenshots captured from real, physical PFC modules, either designed by the author (boost and flyback-based topologies) or acquired for the purposes of this research.

Keywords

AC/DC converter, bridgeless totem-pole, power electronics, power factor correction, power losses

Analiza popularnych topologii korekcji współczynnika mocy w zasilaczach impulsowych

Streszczenie

Nieliniowe charakterystyki obciążenia, typowe dla przetwornic impulsowych, przekładają się na podwyższony poziom zniekształceń harmonicznych w sieci prądu przemiennego. Wynikające z tego pogorszenie jakości energii musi być korygowane przez zastosowanie korekcji współczynnika mocy PFC (ang. Power Factor Correction), często implementowanej w postaci dodatkowych modułowych układów elektronicznych. Najpowszechniej stosowanym rozwiązaniem są aktywne obwody PFC, składające się z elementów indukcyjnych i tranzystorów mocy, które regulują oraz kształtują prąd wejściowy przetwornicy tak, aby odpowiadał zarówno kształtem, jak i fazą napięciu wejściowemu. Modelowanie kształtu prądu sieciowego może być realizowane za pomocą różnych topologii PFC, w połączeniu z różnymi trybami przewodzenia cewki PFC. Niniejsza praca przedstawia przegląd układów PFC, w tym topologii typu boost, konfiguracji opartej na topologii flyback oraz bezmostkowej architektury typu totem-pole, znanej z wysokiej sprawności przetwarzania energii. Zaprezentowano szczegółową analizę teoretyczną problemu korekcji współczynnika mocy oraz opis głównych cech operacyjnych badanych topologii PFC. Badania zostały dodatkowo zilustrowane zrzutami ekranu z oscyloskopu, wykonanymi dla rzeczywistych, fizycznych modułów PFC zaprojektowanych przez autora (topologie typu boost i flyback) lub pozyskanych na potrzeby niniejszego artykułu. Badania te stanowią część projektu finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach programu LIDER XV, na podstawie umowy o wykonanie i finansowanie projektu nr LIDER15/0205/2024.

Słowa kluczowe

bezmostkowa topologia, elektronika mocy, korekcja współczynnika mocy, przetwornica AC/DC, straty mocy, totem-pole

Bibliografia

  1. Fryze S., Moc czynna, bierna i pozorna w obwodach o przebiegach odkształconych prądu i napięcia, „Przegląd Elektrotechniczny”, Vol. 7, 1931, 193–203.
  2. Czarnecki L.S., Currents’ Physical Components (CPC) concept: A fundamental of power theory, International School on Nonsinusoidal Currents and Compensation, Lagow, Poland, 2008, DOI: 10.1109/ISNCC.2008.4627483.
  3. Erickson R.W., Maksimovic D., Fundamentals of Power Electronics, Springer International Publishing, 2020, DOI: 10.1007/978-3-030-43881-4.
  4. Nunez-Ramirez V., Guerrero-Rodriguez NF., Batista-Jorge RO., Mercado-Ravelo R., Ramirez-Rivera F.A., Ferreira JA., Ramos-Ciprian RD., Harmonic distortion caused by non-linear household loads: Measurement and modelling, “Results in Engineering”, Vol. 25, 2025, DOI: 10.1016/j.rineng.2025.104483.
  5. Figueiredo J.P.M., Tofoli F.L., Silva B.L.A., A Review of Single-Phase PFC Topologies Based on The Boost Converter, 9th IEEE/IAS International Conference on Industry Applications – INDUSCON 2010, Sao Paulo, Brazil, 2010, DOI: 10.1109/INDUSCON.2010.5740015.
  6. Luo H., Zang TL., Chen S., Zhou BX., An Adaptive Off-Time Controlled DCM Flyback PFC Converter With Unity Power Factor and High Efficiency, “IEEE Access”, Vol. 9, 2021, 22493–22502, DOI: 10.1109/ACCESS.2021.3055248.
  7. Lamar DG., Arias M., Rodriguez A., Fernandez A., Hernando MM., Sebastian J., Design-Oriented Analysis and Performance Evaluation of a Low-Cost High-Brightness LED Driver Based on Flyback Power Factor Corrector, “IEEE Transactions on Industrial Electronics”, Vol. 60, No. 7, 2013, 2614–2626, DOI: 10.1109/TIE.2012.2196905.
  8. Yan TS., Xu JP., Zhang F., Sha J., Dong Z., Variable-On-Time-Controlled Critical-Conduction-Mode Flyback PFC Converter, “IEEE Transactions on Industrial Electronics”, Vol. 61, No. 11, 2014, 6091–6099, DOI: 10.1109/TIE.2014.2311401.
  9. Kavci M., Tekin A., Tarhan C., Total Harmonic Distortion and Power Factor Improvement Technique for CRM Flyback PFC Converters, IEEE 62nd International Midwest Symposium on Circuits and Systems (MWSCAS), Dallas, Texas, USA, 2019, DOI: 10.1109/MWSCAS.2019.8885187.
  10. Huang QY., Huang Alex Q., Review of GaN totem-pole bridgeless PFC, “CPSS Transactions on Power Electronics and Applications”, Vol. 2, No. 3, 2017, 187–196, DOI: 10.24295/CPSSTPEA.2017.00018.
  11. Liu ZY., Lee FC., Li Q., Yang YC., Design of GaN-Based MHz Totem-Pole PFC Rectifier, “IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics”, Vol. 4, No. 3, 2016, 799–807, DOI: 10.1109/JESTPE.2016.2571299.
  12. Meng FG., Shu Y., Wu JM., Yong SR., Chen YF., A Mixed Conduction Mode Control Strategy Based on Fixed Turn-off Time for Totem-Pole PFC Converter, “IEEE Transactions on Power Electronics”, Vol. 40, No. 10, 2025, 15768–15779, DOI: 0.1109/TPEL.2025.3578152.
  13. Cho J., Kim S., Kim Y., Yea J., Han B., Bridgeless Totem-Pole Resonant Single-Power-Conversion PFC Converter, “IEEE Transactions on Power Electronics”, Vol. 39, No. 11, 2024, 15257–15268, DOI: 10.1109/TPEL.2024.3436522.