如何使用PFC控制器實現(xiàn)終極AC/DC電源轉(zhuǎn)換效率

電網(wǎng)以交流電的形式提供電能，但我們使用的大多數(shù)設(shè)備都需要直流電，這意味著進行這種轉(zhuǎn)換的交流/直流電源是電網(wǎng)上最常見的負(fù)載之一。隨著世界關(guān)注能源效率以保護環(huán)境和管理運營成本，這些電源的高效運行變得越來越重要。

效率作為輸入功率與提供給負(fù)載的功率之間的比率的度量是眾所周知的。然而，輸入功率因數(shù) （PF） 也有很大的影響。PF 描述了任何交流供電設(shè)備（包括電源）消耗的有用（真實）功率與總（表觀）功率（以千伏安為單位）之間的比率。PF 衡量消耗的電能轉(zhuǎn)換為有用功輸出的效率。

如果負(fù)載是純電阻性的，則 PF 將為單位，但負(fù)載內(nèi)的任何無功元件都會降低 PF，使視在功率大于有用功率，從而導(dǎo)致效率降低。

小于 1 的 PF 是由電壓和電流異相引起的——這在感性負(fù)載中很常見。這也可能是由于高諧波含量或失真的電流波形，這在開關(guān)模式電源 （SMPS） 或其他類型的不連續(xù)電子負(fù)載中很常見。

修正 PF

許多沒有功率因數(shù)校正 （PFC） 的 SMPS 比校正后的 SMPS 消耗更高的電流，因此在 70 W 以上的功率水平下，立法要求設(shè)計人員整合電路以將 PF 校正到接近于 1 的值。有源 PFC 最常見的技術(shù)使用升壓轉(zhuǎn)換器將整流后的電源轉(zhuǎn)換為高直流電平，然后使用脈寬調(diào)制 （PWM） 來調(diào)節(jié)直流電平。

雖然這項技術(shù)運作良好且易于實施，但也存在一些挑戰(zhàn)?，F(xiàn)代效率標(biāo)準(zhǔn)（例如嚴(yán)格的“80+ 鈦標(biāo)準(zhǔn)”）要求在寬功率范圍內(nèi)具有高效率，并且在 50% 負(fù)載時峰值效率高達 96%。由于 PFC 級之后的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器通常表現(xiàn)出 2% 的損耗，因此線路整流和 PFC 級本身只能損耗 2%——這對于橋式整流器中的二極管來說是一個挑戰(zhàn)。

然而，如果用同步整流器代替升壓二極管（D5），則效率會提高。此外，只需要雙線整流二極管，這些二極管也可以是同步整流器（Q3、Q4），這進一步提高了效率。這種技術(shù)被稱為圖騰極功率因數(shù)校正（TPPFC），有了理想的電感和完美的開關(guān)，效率可以接近100%。現(xiàn)代MOSFET具有優(yōu)異的性能，但即使并聯(lián)使用，也達不到理想開關(guān)的水平。因此，寬帶隙半導(dǎo)體開關(guān)將與TPPFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)齊頭并進。

圖1：傳統(tǒng)（左）和（右）無橋TPPFC電路

解決損失

隨著開關(guān)頻率越來越高的趨勢，開關(guān)器件中的動態(tài)損耗會產(chǎn)生更大的影響。這些損耗是由于當(dāng)MOSFET配置為圖騰極快速支路的開關(guān)時，當(dāng)其體二極管在開關(guān)“死”時間內(nèi)導(dǎo)通且相關(guān)存儲電荷必須耗盡時，以及開關(guān)輸出電容的充放電時，MOSFET反向恢復(fù)。

事實上，硅MOSFET的動態(tài)損耗可能非常大，因此設(shè)計師越來越多地在TPPFC應(yīng)用中指定WBG半導(dǎo)體材料，如碳化硅和氮化鎵器件。它們還具有更高頻率的操作和在高溫下工作的能力，這是電力應(yīng)用中兩個非常有用的特性。

臨界傳導(dǎo)模式 （CrM） 通常是 TPPFC 的首選傳導(dǎo)模式，尤其是高達幾百瓦的功率，在效率和電磁干擾性能之間提供了良好的折衷。連續(xù)導(dǎo)通模式 （CCM） 進一步降低了開關(guān)中的 RMS 電流和導(dǎo)通損耗，使 TPPFC 可用于千瓦級功率應(yīng)用。

即使使用 CrM，在輕負(fù)載時效率也會顯著下降（高達 10%），這在嘗試滿足待機或空載能耗限制時提出了真正的挑戰(zhàn)。一種解決方案是鉗制或“折回”最大允許頻率，從而在輕負(fù)載時強制電路進入不連續(xù)導(dǎo)通模式 （DCM），其中較高的峰值電流低于等效 CrM 實現(xiàn)中的峰值電流。

將 TPPFC 與 CrM 操作和頻率鉗位相結(jié)合可提供良好的中等功率解決方案，該解決方案可在整個負(fù)載范圍內(nèi)提供良好的效率，尤其是當(dāng) WBG 開關(guān)用于高頻支路時。

其他挑戰(zhàn)

解決了效率挑戰(zhàn)后，還有最后一個障礙需要克服：要同步驅(qū)動四個有源器件，并且必須檢測電感器的零電流交叉以強制 CrM。該電路必須能夠在需要時自動切換進出 DCM——所有這一切都是在保持高功率因數(shù)并生成 PWM 信號以調(diào)節(jié)輸出的同時完成的。除此之外，還需要電路保護（如過流和過壓）。

一般來說，考慮到所涉及的復(fù)雜性，最好的方法是在微控制器中實現(xiàn)控制算法。然而，這種方法可能很昂貴，并且需要生成和調(diào)試代碼，這是許多設(shè)計人員希望避免的領(lǐng)域。

使用 CrM 的 TPPFC 無代碼解決方案

完全集成的 TPPFC 控制解決方案具有許多優(yōu)勢，包括高性能、縮短設(shè)計時間和降低設(shè)計風(fēng)險，同時無需實現(xiàn)微控制器和相關(guān)代碼。

此類集成解決方案之一是 onsemi 的 NCP1680 混合信號 TPPFC 控制器，它以恒定的導(dǎo)通時間 CrM 運行，以確保整個負(fù)載范圍內(nèi)的高效率。NCP1680 在輕負(fù)載頻率折返期間具有“谷底開關(guān)”功能，可通過在最低電壓下開關(guān)來提高效率。數(shù)字電壓控制環(huán)路經(jīng)過內(nèi)部補償，以優(yōu)化整個負(fù)載范圍內(nèi)的性能，同時確保設(shè)計過程保持簡單。

NCP1680 為無代碼 TPPFC 提供了一個簡單而優(yōu)雅的解決方案。

創(chuàng)新的控制器采用小型 SOIC-16 封裝，采用專有的低損耗電流檢測方法，逐周期限流提供出色的保護水平，無需外部霍爾效應(yīng)傳感器，從而降低復(fù)雜性、尺寸和成本。

所有必要的控制算法都嵌入在 IC 中，為設(shè)計人員提供了一個低風(fēng)險、久經(jīng)考驗的解決方案，以具有成本效益的價格提供高性能。

審核編輯：郭婷