PFC 拓?fù)浔容^：交錯(cuò)式升壓拓?fù)渑c圖騰柱拓?fù)?/p>

簡(jiǎn)介

電子設(shè)備越來越多地接入電網(wǎng)，這增加了電網(wǎng)的失真幾率，也使配電網(wǎng)絡(luò)容易產(chǎn)生問題。為緩解這些問題，電源設(shè)計(jì)需要先進(jìn)的功率因數(shù)校正 (PFC) 電路來滿足嚴(yán)格的功率因數(shù) (PF) 標(biāo)準(zhǔn)。

功率因數(shù)校正最常用的拓?fù)涫巧龎?PFC，但寬禁帶 (WBG) 半導(dǎo)體（如 GaN 和 SiC）的出現(xiàn)推動(dòng)了圖騰柱 （totem-pole）PFC 等無橋拓?fù)涞膶?shí)現(xiàn)，而2010年3月30日 MIPF3等先進(jìn)的圖騰柱控制器更加簡(jiǎn)化了交錯(cuò)式圖騰柱 PFC 等復(fù)雜設(shè)計(jì)的控制。本文對(duì)三種拓?fù)湓诓煌瑧?yīng)用中的使用情況進(jìn)行了比較，包括交錯(cuò)式升壓PFC、無橋圖騰柱 PFC 和交錯(cuò)式圖騰柱 PFC。

交錯(cuò)式升壓 PFC

交錯(cuò)式升壓 PFC 是最常見的功率因數(shù)校正拓?fù)洹?這種拓?fù)涑瞬捎?a target="_blank">整流二極管橋?qū)⒔涣麟妷恨D(zhuǎn)換為直流電壓之外，還包含了升壓變換器（參見圖 1）。 升壓變換器將電壓提升至一個(gè)較高的值，這降低了輸出電壓紋波，同時(shí)將電流整形為正弦波。

圖 1：交錯(cuò)式升壓 PFC 原理圖

功率因數(shù)的校正僅通過一個(gè)升壓變換器即可實(shí)現(xiàn)，但設(shè)計(jì)人員通常會(huì)將相互之間存在相移的兩個(gè)或多個(gè)變換器并聯(lián)連接使用。這種交錯(cuò)連接可以提高效率，同時(shí)降低輸入電流紋波。

無橋圖騰柱 PFC

將新型半導(dǎo)體材料尤其是碳化硅（SiC）應(yīng)用于功率開關(guān)，可以使之前受制于硅的熱特性與電特性而無法實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)變得可行。其中之一即為無橋圖騰柱拓?fù)洌撏負(fù)浼闪苏骱蜕龎杭?jí)，并提供兩個(gè)以不同頻率工作的開關(guān)支路（見圖 2）。

圖 2：無橋圖騰柱 PFC 原理圖

第一個(gè)分支稱為慢速分支（SD1 和 SD2），以電網(wǎng)頻率（例如 50Hz至60Hz 之間）換向。 它采用傳統(tǒng)硅開關(guān)，主要負(fù)責(zé)對(duì)輸入電壓進(jìn)行整流。第二個(gè)分支稱為快速分支（Q1 和 Q2），主要在提升電壓的同時(shí)對(duì)電流整形，該分支需要以極高的頻率（約 100kHz）進(jìn)行切換。具有較高頻率的高功率切換會(huì)給開關(guān)帶來更大的熱應(yīng)力和電應(yīng)力，變換器需要利用寬禁帶半導(dǎo)體器件（例如 SiC 和 GaN MOSFETS）才能安全高效地工作。

與交錯(cuò)式升壓變換器相比，這種拓?fù)渫ǔＤ芨纳菩阅堋５~外的有源開關(guān)使控制電路變得更加復(fù)雜，這個(gè)問題通?？梢圆捎眉墒綀D騰柱控制器得到緩解。

交錯(cuò)式圖騰柱 PFC

為了提高無橋圖騰柱 PFC 的效率，還可以添加額外的高頻分支，創(chuàng)建交錯(cuò)式圖騰柱 PFC。該額外分支可降低變換器的輸出電壓紋波，并將變換器的功率要求平均分配到所有分支，從而最大限度地減小布局尺寸，降低總成本。

圖 3：交錯(cuò)式無橋圖騰柱 PFC 原理圖

PFC 拓?fù)涞谋容^實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

操作參數(shù)

為了比較不同情況下的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，我們針對(duì)兩個(gè)功率級(jí)別開發(fā)了一系列仿真模型。同時(shí)采用相同的系統(tǒng)規(guī)格，以使結(jié)果具有可比性（見表 1）。

表1: 系統(tǒng)規(guī)格

參數(shù)比較

為進(jìn)行拓?fù)浔容^而定義的關(guān)鍵參數(shù)如下所述。

輸入電流紋波(ΔIIN): ΔIIN表示輸入電流的變化量，通過測(cè)量單個(gè)開關(guān)周期內(nèi)輸入電流的最大值與最小值之差獲得。ΔIIN用公式 (1) 來計(jì)算：

電流總諧波失真(THDI)：在沒有濾波器的情況下測(cè)量輸入電流中存在的諧波失真可得到TCH TPH TCH TPH TPH TCH TPH TPH TPH TPH TPH TPH TPH TPH TPH TPH TPHD TIHD TPHD TPH TIHD TIHDI人 體 地I可以用公式 (2) 估算：

感性能量指數(shù) (IEI) 和容性能量指數(shù) (CEI)：這些指數(shù)提供變換器每單位功率的電感和電容要求信息（請(qǐng)參見公式 3 和 4），它們與組件的最終尺寸和成本密切相關(guān)。IEI 可以用公式 (3) 計(jì)算：

CEI可以用公式 (4) 估算：

總開關(guān)功率指數(shù) (TSP)：TSP 比較變換器半導(dǎo)體器件每功率單元（類似于硅等效面積）的電壓和電流應(yīng)力。TSP 與變換器中硅器件的最終成本密切相關(guān)。TSP 可以用公式 (5) 計(jì)算：

效率(__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 效率 (?)：效率用于比較功率因數(shù)校正電路中損失的能量。通過計(jì)算電路消耗的輸入功率與輸出端可用功率之間的比率（參見公式 5）可以得出效率。它指明了功耗最小的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。效率可以用公式 (6) 估算：

圖騰柱 PFC 與交錯(cuò)式升壓 PFC 的比較結(jié)果

第一項(xiàng)測(cè)試模擬了 300W 應(yīng)用的所有三種拓?fù)?，這種功率級(jí)別通常用于計(jì)算機(jī)電源。第二項(xiàng)測(cè)試模擬了3kW 應(yīng)用下的拓?fù)?，這種高功率級(jí)別通常用于電動(dòng)汽車充電等應(yīng)用。

通過拓?fù)浔容^可以得出每種拓?fù)涞某Ｒ娞匦?。然而，這些設(shè)計(jì)的性能在很大程度上取決于所選擇的器件及其操作參數(shù)。因此，設(shè)計(jì)人員必須認(rèn)真思考，合理選擇設(shè)計(jì)，并針對(duì)應(yīng)用審慎優(yōu)化。為闡明這一點(diǎn)，我們對(duì)僅考慮器件損耗的功率損耗進(jìn)行分析，類似器件可以用于所有拓?fù)洹?/p>

圖騰柱 PFC 的功耗優(yōu)勢(shì)

拓?fù)浔容^的第一個(gè)關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是：圖騰柱PFC不包含整流橋，因此減少了開關(guān)器件的數(shù)量。升壓變換器中的二極管橋始終導(dǎo)通，因此導(dǎo)通損耗是影響該拓?fù)湫实年P(guān)鍵因素。低功率時(shí)，變換器中的電流相對(duì)較小，因此大部分功耗在開關(guān)操作期間產(chǎn)生。這也是升壓和圖騰柱 PFC 拓?fù)湓?300W 應(yīng)用中具有相似效率的原因（參見圖 4）。傳統(tǒng)和交錯(cuò)式圖騰柱設(shè)計(jì)中的損耗差別不大，為簡(jiǎn)單起見，我們對(duì)交錯(cuò)式升壓變換器和圖騰柱變換器之間的效率進(jìn)行比較。

圖 4：300W 設(shè)計(jì)中的功率損耗

當(dāng)以 3kW 功率運(yùn)行時(shí)，電路中的電流明顯提高，由于整流器二極管中的高等效電阻，升壓拓?fù)渲袝?huì)產(chǎn)生明顯的傳導(dǎo)損耗。因此，在大功率應(yīng)用中，圖騰柱 PFC的效率要高得多（參見圖 5）。

圖5: 3kW設(shè)計(jì)中的功率損耗

交錯(cuò)式升壓和圖騰柱 PFC拓?fù)涞男侍嵘?/p>

升壓和圖騰柱 PFC 拓?fù)浔容^的另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是工作模式的比較。圖騰柱拓?fù)渫ǔ９ぷ饔谶B續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) ，而交錯(cuò)式升壓拓?fù)鋭t工作于臨界導(dǎo)通模式 (CrCM) 。CCM 操作可以顯著降低電感電流紋波和TCH TPH TCH TPH TPH TCH TPH TPH TPH TPH TPH TPH TPH TPH TPH TPH TPHD TIHD TPHD TPH TIHD TIHDI，而 CrCM 因需要的電感更小而導(dǎo)致更低的感性能量指數(shù) (IEI)（參見圖 6）。

圖6: 輸入電流仿真結(jié)果

然而，THDI增大意味著升壓 PFC 需要一個(gè)較大的輸入濾波器來滿足電能質(zhì)量要求，這削弱了無需電感器帶來的益處，如成本和尺寸的降低。此外，CrCM 中的開關(guān)電流遠(yuǎn)大于 CCM 中的電流，這會(huì)增加開關(guān)元件的電壓和電流應(yīng)力（參見圖 7）。

圖 7：流經(jīng)電感的電流仿真結(jié)果

并聯(lián)多個(gè)變換器可以將電流應(yīng)力分布在多個(gè)相位上，從而提高性能。就其本身而言，單個(gè)非交錯(cuò)式升壓變換器的效率和性能是無法與圖騰柱 PFC相比的。但通過交錯(cuò)連接多個(gè)升壓變換器，性能可以得到明顯提高。因此，交錯(cuò)式升壓拓?fù)涫侵袡n功率應(yīng)用的有效選擇，如上文提到的 300W 示例（參見圖 8）。

然而，在高功率下，交錯(cuò)式升壓變換器的效率卻難以與圖騰柱拓?fù)湎啾葦M。而且，對(duì)3kW 或更高功率的應(yīng)用，即使是圖騰柱變換器也可受益于交錯(cuò)式連接。交錯(cuò)式連接將電流分配到兩個(gè)支路上，從而使每個(gè)支路的電感都減半，這放寬了電源開關(guān)要求，同時(shí)也降低了輸入電流紋波。

圖 8：交錯(cuò)式升壓 PFC 中的電感電流

表 2對(duì)三種 PFC 拓?fù)涞牟煌瑓?shù)進(jìn)行了總結(jié)。

表 2：PFC 拓?fù)浔容^仿真結(jié)果

結(jié)論

本文通過仿真和關(guān)鍵參數(shù)的比較說明了交錯(cuò)式升壓、圖騰柱和交錯(cuò)式圖騰柱 PFC 拓?fù)涞闹饕匦?，幫助設(shè)計(jì)人員為其應(yīng)用選擇合適拓?fù)洹?/p>

升壓 PFC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此成為大多數(shù)設(shè)計(jì)人員的首選解決方案。然而，升壓 PFC 在大功率應(yīng)用中的效率較低，因此在這種情況下，盡管圖騰柱 PFC 拓?fù)湓黾恿藦?fù)雜性，但可能更可取。而且，2010年3月30日 MIPF3等集成式圖騰柱控制器的引入能夠極大地簡(jiǎn)化圖騰柱 PFC 變換器的實(shí)現(xiàn)。

審核編輯：湯梓紅