基于MCU或?qū)Ｓ肐C的交錯(cuò)式功率因數(shù)校正解決方案

功率因數(shù)校正（PFC）對(duì)于減輕電能質(zhì)量問題至關(guān)重要，因?yàn)楦嗟臒o功負(fù)載源會(huì)進(jìn)入電網(wǎng)。在可用的PFC方法中，交錯(cuò)式PFC方法使工程師能夠使用成本更低的組件構(gòu)建更緊湊的PFC解決方案，但需要高度復(fù)雜的控制機(jī)制，從而限制了其對(duì)設(shè)計(jì)人員的吸引力。基于MCU或?qū)Ｓ?a target="_blank">IC的交錯(cuò)式PFC解決方案集成了這些控制機(jī)制，為設(shè)計(jì)人員提供了在終端產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)高效PFC功能的簡化方法。

定義為實(shí)際功率與視在功率之比，功率因數(shù)表示可用于運(yùn)行設(shè)備的相對(duì)功率。設(shè)備中的無功負(fù)載將功率因數(shù)遠(yuǎn)低于1.實(shí)際上，在沒有校正的情況下，典型的開關(guān)模式電源的功率因數(shù)約為0.6，具有相當(dāng)大的奇次諧波失真。當(dāng)功率因數(shù)低于1時(shí)，電壓和電流不同相，功率擴(kuò)散到基頻以外的諧波，這些諧波沿中性線傳播，以擾亂其他功率消耗。

除了需要為了補(bǔ)償這些低效率產(chǎn)生更多功率，諧波會(huì)在電容器和電纜中產(chǎn)生額外的損耗和介電應(yīng)力。隨著高噪聲發(fā)射，電動(dòng)機(jī)和變壓器繞組中相關(guān)的電流增加導(dǎo)致保險(xiǎn)絲和其他安全部件的早期故障。通過重新調(diào)整電壓和電流波形以使它們同相，PFC減少了符合IEC 61000-3-2所要求的諧波，IEC 61000-3-2定義了電氣設(shè)備發(fā)出的諧波限值。

PFC方法

雖然設(shè)計(jì)人員可以使用無源元件實(shí)現(xiàn)PFC，但有源功率校正允許使用更小的電感器，并為處理到達(dá)國際市場的產(chǎn)品的不同線電壓提供更大的靈活性。有源PFC使用位于輸入整流器和輸出存儲(chǔ)電容之間的開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器（圖1）。在這種方法中，PFC控制電路對(duì)輸入電流進(jìn)行整形以匹配輸入電壓波形。

圖1：放置在輸入整流器和輸出轉(zhuǎn)換器之間，功率因數(shù)校正（PFC）電路調(diào)整輸入電流以匹配輸入電壓。 （由CN半導(dǎo)體提供）

升壓轉(zhuǎn)換器通常是實(shí)現(xiàn)PFC的首選轉(zhuǎn)換器拓?fù)?，因?yàn)樵撏負(fù)浣Y(jié)構(gòu)使用連續(xù)輸入電流?？梢允褂闷骄娏髂Ｊ娇刂萍夹g(shù)來操縱該輸入電流，以迫使輸入電流跟蹤線電壓的變化。此外，升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可降低電流紋波并實(shí)現(xiàn)更簡單的柵極驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)。

典型的單相升壓PFC轉(zhuǎn)換器是一種相對(duì)簡單的設(shè)計(jì)，它結(jié)合了橋式整流器，電感器，二極管，開關(guān)和輸出電容（圖2）。實(shí)際上，輸入橋和諸如EMI濾波器的附加組件通常已經(jīng)存在于大多數(shù)功率轉(zhuǎn)換器中。同時(shí)，選擇這些組件對(duì)于確保有效運(yùn)行至關(guān)重要。

圖2：升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是PFC的首選，簡化了輸入電流的操作，以跟蹤輸入電壓的變化。 （由Freescale Semiconductor提供）

更新的器件通過在單個(gè)器件上集成簡單單級(jí)PFC轉(zhuǎn)換器的大部分或全部元件來簡化元件選擇和匹配 - 只需很少的額外元件即可實(shí)現(xiàn)PFC。事實(shí)上，Power Integrations HiperPFS系列的成員，如Power Integrations PFS7523，不僅集成了連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）升壓PFC控制器和柵極驅(qū)動(dòng)器，還集成了包括超低反向恢復(fù)二極管和高壓電源的電源組件。 MOSFET。 HiperPFS器件無需外部電流檢測電阻和相關(guān)的功率損耗，采用專有控制技術(shù)，可在輸出負(fù)載，輸入線電壓甚至輸入線周期內(nèi)調(diào)節(jié)開關(guān)頻率。

Interleaved PFC設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的單級(jí)PFC控制器設(shè)計(jì)仍然依賴于適當(dāng)大的電感器，并且需要大量濾波以減少高頻紋波。另一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)取代了單個(gè)PFC升壓轉(zhuǎn)換器，其中兩個(gè)交錯(cuò)轉(zhuǎn)換器的相位相差180°。

這種交錯(cuò)方法顯著降低了輸入電流和電流流入的高頻紋波分量。 PFC預(yù)調(diào)節(jié)器的輸出電容器。與相同功率的單相PFC級(jí)相比，輸入電流上的紋波減小意味著設(shè)計(jì)人員可以使用更小的輸入電容并降低EMI濾波。此外，降低高頻紋波電流進(jìn)入PFC輸出電容意味著設(shè)計(jì)人員可以減小其尺寸和成本。最后，每相中降低紋波和降低平均電流的組合允許使用比傳統(tǒng)單相設(shè)計(jì)更小的電感器尺寸。

設(shè)計(jì)人員可以實(shí)現(xiàn)具有高度集成數(shù)字的交錯(cuò)式PFC設(shè)計(jì) - 信號(hào)控制器（DSC），如Microchip Technology DSPIC33FJ06GS202或Freescale Semiconductor MC56F8006。這些DSC將高性能處理器內(nèi)核與片上外設(shè)相結(jié)合，包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），脈沖寬度調(diào)制器（PWM）和模擬比較器。在這種方法中，DSC使用其片上ADC來監(jiān)控整個(gè)輸入電壓和電流，輸出電壓以及每級(jí)的MOSFET電流（圖3）。反過來，該器件使用其集成的PWM來控制每個(gè)轉(zhuǎn)換器中的開關(guān)，同時(shí)繼續(xù)監(jiān)控兩個(gè)轉(zhuǎn)換器開關(guān)電流，以確保兩個(gè)級(jí)之間的負(fù)載均等共享。

圖3：數(shù)字信號(hào)控制器結(jié)合了監(jiān)控輸入電壓VAC和電流IAC以及輸出直流電壓VDC所需的模擬外設(shè)以及在測量開關(guān)電流（IM1，IM2）的同時(shí)驅(qū)動(dòng)每個(gè)控制器級(jí)，以確保相等的負(fù)載分配。 （由Microchip Technology提供）

這種并行轉(zhuǎn)換器方法的主要缺點(diǎn)是兩個(gè)轉(zhuǎn)換器的頻率不相同，需要確保其精確同步的方法。過去，這一要求增加了實(shí)施適當(dāng)監(jiān)測和控制所需的附加電路的復(fù)雜性。集成DSC的使用消除了對(duì)額外控制設(shè)備的需求。然而，設(shè)計(jì)人員仍然需要實(shí)施所需的復(fù)雜控制算法，以確保并行轉(zhuǎn)換器精確地以180°異相工作（圖4）。

圖4：交錯(cuò)式PFC依賴于詳細(xì)的測量和控制算法，以確保并行控制器的精確同步。 （由Microchip Technology提供）

集成解決方案

專用IC為交錯(cuò)式PFC設(shè)計(jì)提供了一種更簡單的方法，將完整的控制邏輯與所需的外設(shè)功能集成在一起。使用這些高度集成的器件，工程師只需添加橋式整流器和并聯(lián)升壓轉(zhuǎn)換器即可實(shí)現(xiàn)PFC（圖5）。

圖5：德州儀器（TI）UCC28070等專用IC集成了將PFC與最少的附加組件交錯(cuò)所需的全面功能。 （德州儀器公司提供）

例如，德州儀器UCC28070設(shè)計(jì)用于在CCM PFC設(shè)計(jì)中以180°異相操作兩個(gè)并行控制器。該器件的兩個(gè)獨(dú)立電流放大器可確保兩個(gè)PWM輸出中的匹配平均電流模式控制，同時(shí)保持穩(wěn)定，低失真的正弦輸入線電流。雖然交錯(cuò)式PFC通常只包含一對(duì)并聯(lián)轉(zhuǎn)換器，但設(shè)計(jì)人員可以將多個(gè)UCC28070組合在一起，為更高功率的應(yīng)用提供偶數(shù)個(gè)附加相位，并實(shí)現(xiàn)更高水平的輸入和輸出紋波電流消除。

BCM解決方案

雖然CCM PFC為轉(zhuǎn)換器吞吐功率提供了低峰值平均電流比，但它在開關(guān)輸出二極管的影響方面存在缺點(diǎn)。在CCM中，當(dāng)MOSFET導(dǎo)通時(shí)，正向電流通常會(huì)流過二極管。由于少數(shù)載流子的復(fù)合較慢，這些高壓二極管通常會(huì)受到延長的反向恢復(fù)，這會(huì)增加損耗和振鈴并最終產(chǎn)生高頻EMI諧波。

相反，關(guān)鍵時(shí)刻 - 導(dǎo)通模式（有時(shí)稱為邊界導(dǎo)通模式［BCM］或過渡模式），允許電感電流在MOSFET的下一個(gè)開關(guān)周期開始之前完全達(dá)到零。升壓二極管的零電流開關(guān)允許使用較便宜的二極管而不犧牲效率。此外，由于紋波電流消除和開關(guān)頻率有效加倍，輸入和輸出濾波器可以更小。

飛兆半導(dǎo)體FAN9611MX和德州儀器UCC28063等器件是集成PFC控制器IC，專為交錯(cuò)式BCM PFC的實(shí)現(xiàn)。這些專用器件的一個(gè)關(guān)鍵特性是BCM工作所需的片上零檢測電路：BCM設(shè)計(jì)以可變頻率工作，每當(dāng)電感器中的電流達(dá)到零時(shí)啟動(dòng)一個(gè)開關(guān)周期。

通常，零電流檢測器使用電感上輔助繞組的電壓監(jiān)測電感電流，以間接檢測電感電流何時(shí)達(dá)到零。雖然最簡單的檢測零交叉的方法是在測量波形上使用比較器閾值，但當(dāng)電感兩端的電壓為零時(shí)，電感電流實(shí)際上處于其最大負(fù)值（圖6）。如果MOSFET此時(shí)導(dǎo)通，則存儲(chǔ)在寄生電容中的所有能量將被分流到地，從而導(dǎo)致功率損耗。飛兆半導(dǎo)體FAN9611MX的內(nèi)部檢測電路包括一個(gè)差分器，能夠檢測檢測電壓斜率的變化，使其能夠捕獲檢測波形的波谷并提供更高效的操作。

圖6：高級(jí)交錯(cuò)式BCM PFC IC，如飛兆半導(dǎo)體FAN9611MX，通過檢測感應(yīng)電壓斜率的變化而不是只是它的零交叉。 （Fairchild Semiconductor提供）