在功率電子領域，轉換效率一直是討論的關鍵話題，也是所有資料表中的重要參數之一。為了在最有利的條件下展示產品，電源製造商通常會引用「最佳」資料，這通常是在大約80%負載下的某個效能值。但是，應該注意的是，在實際應用中，系統所消耗的功率可能根本不是這個水準。
負載可能會上下明顯波動，取決於具體的運作方式，並且在冗餘配置中，所消耗功率將始終比峰值低很多(除非出現故障情形)。這意味著系統的實際效能可能遠低於所引用值。
認識到這種情形的嚴重性後，標準機構、行業團體和政府組織都制定了新的能源準則。這些準則中通常引用所有運作負載(從20%到滿負載)範圍內要求具備最低可接受效能水準的效能曲線，因此，設計工程師能夠評估電源系統中的基本構建模組，以確定發生損耗之位置，然後採取措施消除這些損耗，以確保滿足新的效能要求。功率因數修正(PFC)對於解決潛在損耗源問題至關重要，因此應予以實施。
傳導/切換耗損影響大
雖然當代切換式半導體元件已經能夠提供前所未有的性能表現，但在運作期間總會有一些損耗，導致效能水準降低。在電源系統中，需要注意兩種類型的損耗：切換和傳導。
傳導損耗包括由橋式二極體順向電壓引起的損耗，其與系統功率和MOSFET和IGBT等切換元件的導通電阻成比例。這些損耗與整個系統功率的平方成正比，伴隨輸出功率增加，損耗也會增大，損耗往往在更接近滿載的情形下具有更大影響。傳統上，過去的應用焦點也集中於此。
第二種損耗是切換損耗。隨著設計工程師努力提高功率密度水準並縮小系統尺寸，切換頻率不斷增高，而可以減小系統中大型磁性元件尺寸。切換損耗與寄生電容的不斷再充電有關(例如在切換元件閘極中出現的)。這些損耗與切換頻率成比例，並在整個運作功率範圍內保持一致。這些損耗往往在較低功率水準下最為普遍，可能對系統效能產生重大影響。
功率因數影響電源效能
公用事業公司提供的所有電網電力均為交流電，電壓波形始終為弦波。然而，電流波形和相位不一定是弦波，而是取決於供電系統負載。對於加熱元件等最簡單的純電阻負載，負載電流與電壓同相並保持為弦波，在這種情形下演算輸出功率僅僅是將電壓和電流相乘。
而對於馬達等其他類型負載，可以包括無功分量(電感或電容)。在這種情形下，當電流波形保持弦波時，它將相較於電壓波形有相移，其中負載中的電抗量確定相移量。功率演算需要考量相位，因此實際功率由公式1確定：
實際功率=V×I×cos(φ)
公式(1)
這裡φ表示電壓和電流波形之間的相位角，cos(φ)被稱為「位移因數」。在電阻性負載中，電流和電壓具有相同相位，cos(φ)的值為1，意味著實際功率與正常情形下一樣，仍然是電壓和電流乘積。
然而，實際負載往往不是如此簡單，特別是，在負載如果為切換模式電源(SMPS)情形下，這些系統通常具有二極體橋式整流器和湧浪電容器，將會導致電流波形失去原來弦波形狀，並成為一系列尖峰。
由於波形失真且不再是弦波，因此使用「失真因數」(cos(θ))演算實際功率，失真因數與波形的總諧波失真(THD)相關聯。因此，在系統中如果電流和電壓同相，但電流波形為非弦波，以下公式2適用：
實際功率=V×I×cos(θ)
公式(2)
在電流波形既相移又失真的情形下，事情會變得複雜一些，此時必須考量位移因數和失真因數，如公式3：
實際功率=V×I×cos(θ)×cos(φ)
公式(3)
任何系統功率因數都只是兩個因素的結果，如公式4：
功率因數=cos(θ)×cos(φ)
公式(4)
實際上，這意味著電壓和電流之間相位差越大，或者電流波形越失真，功率因數越低，因此實際功率越低。由於功率因數也會影響效能，這是當下電源設計人員應對的關鍵領域。
修正功率因數之必要性
相對複雜的數學演算表明，如果頻率相同，將兩個弦波相乘，只能得到一個大於零的值。因此，可以推斷出諧波電流對系統的有用輸出功率沒有貢獻，應該減少或消除。
這正是為大多數人公認的主要PFC標準EN 61000-3-2所採用的方法，與美國環境保護署(EPA)能源之星(Energy Star)在內的許多當代效能規格一樣，EN61000-3-2旨在透過定義嚴格的諧波電流限制來降低電流波形的THD，直至可以達到40次諧波。
實現PFC的最常用方法是使用市售PFC控制器中的幾種常見控制方案之一，在橋式整流器和大容量電容器之間插入一個主動級(Active Stage)。可能最廣泛使用的控制方案是連續導通模式(CCM)，以固定頻率操作，並且經常用在更高功率(>300W)系統。一種流行的替代方案是臨界傳導模式(CrM)控制，這種方式透過僅在電感器電流降至零時進行切換，可省去快速恢復二極體，進而降低了系統成本，但導致可變的切換頻率。CrM在低功率系統中尤其普遍，例如可用於照明系統。PFC控制方案還可進一步改進，其目標是提供更高效能，例如可將操作頻率鉗制在規定範圍內。一些控制方案能夠依照負載變化而改變傳導模式，以確保實現最佳效能。
控制/管理功率因數為提升效能關鍵
雖然可以使用離散元件從頭開始設計PFC方案，但這種情形很少發生，大多數工程師會選擇使用內建PFC控制方案的現成控制IC。
例如ON Semiconductor的FL7921R CrM照明控制器是一款高整合度零組件(圖1)，它將PFC控制器與准諧振(QR)PWM控制器相整合，透過採用受控的導通時間技術，提供穩定的直流輸出，執行自然的PFC。
圖片來源：ON Semiconductor
此外，該IC包括一個THD優化電路，可減少過零點處的輸入電流失真，以提高功率因數。PFC功能始終處於開啟狀態，以確保功率因數完全優化，其中也包括在重要的輕負載條件下。
或以STMicroelectronics的STNRGPFx2為例，是一款雙通道交錯式CCM PFC數位控制器，適用於更高功率PFC升壓應用，如焊接、工業馬達、電池充電器和電源等。該固定頻率元件能夠驅動兩個交錯式PFC通道，並且包括湧浪電流限制，以及諸如相位切除(Phase-shedding)運作等更複雜功能。使用STMicroelectronics的eDesignSuite，客戶可以快速輕鬆配置零元件。
管理和控制當下電源系統的功率因數是提高所有運作條件下效能的關鍵，這其中包括傳統上效能非常低的輕負載條件。面對不斷提高的效能規格要求，消費者和業者也越來越意識到運營成本壓力和廢棄能源對環境之不利影響，具備足夠高的PFC已經成為當下關鍵的採購要求。幸運的是，許多高整合度控制器可幫助工程師輕鬆實現各種複雜的PFC方案，以滿足特定應用之需求。
