全方位半無(wú)橋式/交錯(cuò)式PFC

　　為了節(jié)省能源，某些公營(yíng)事業(yè)公司及環(huán)保機(jī)構(gòu)研擬出許多方案與獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃，期望能夠使離線式交流對(duì)直流（AC-DC）電源轉(zhuǎn)換器發(fā)揮更高的效率。為減少電線傳輸?shù)暮膿p，這些公司和機(jī)構(gòu)都要求離線式轉(zhuǎn)換器具備功率因數(shù)校正（PFC）功能。這些方案包括能源之星（Energy Star）、拯救氣候（Climate Savers），還有其他八十多項(xiàng)與運(yùn)算電源相關(guān)的計(jì)劃。這些計(jì)劃在本質(zhì)上相似，均都要求離線式電源轉(zhuǎn)換器在負(fù)載從20%升高到100%時(shí)，發(fā)揮80%以上的效率，同時(shí)要求在滿負(fù)載時(shí)，其功率因數(shù)要達(dá)到0.9以上。

　　為了達(dá)到這些功率因數(shù)需求，設(shè)計(jì)人員須導(dǎo)入PFC預(yù)整流器（Pre-regulator）。目前已開(kāi)發(fā)出兩項(xiàng)創(chuàng)新的PFC控制拓?fù)洌商嵘齈FC控制器的效率。第一種拓?fù)涫前霟o(wú)橋式PFC，可減少一半的橋式整流器耗損；第二種拓?fù)涫墙诲e(cuò)式PFC，可減少高達(dá)50%的轉(zhuǎn)換器I2R耗損。這兩項(xiàng)技術(shù)均須使用兩個(gè)升壓功率級(jí)來(lái)提升效率，因此，設(shè)計(jì)人員經(jīng)常要對(duì)這兩種拓?fù)浼軜?gòu)進(jìn)行抉擇。為了釐清這個(gè)問(wèn)題，以下將分理論與實(shí)務(wù)兩方面評(píng)估，讓電源供應(yīng)設(shè)計(jì)人員能根據(jù)系統(tǒng)需求選擇最適用的拓?fù)洹?/p>

　　半無(wú)橋式PFC效率/電感尺寸難兼得

　　圖1為半無(wú)橋式PFC預(yù)整流器的電路拓?fù)鋱D。此拓?fù)漤毚钆鋬蓚€(gè)升壓功率級(jí)（Boost1及Boost2）以實(shí)現(xiàn)PFC，升壓電感直接連接到轉(zhuǎn)換器的輸入。此一拓?fù)湟岔殥?cǎi)用全波整流器（DA、DB、DC及DD），使一般PFC升壓電容（CBOOST）在最初的通電時(shí)間可達(dá)到最高電量。然而，在升壓電容的電量達(dá)到最高，轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)運(yùn)作之后，電源轉(zhuǎn)換器在每一次二極體橋接器傳導(dǎo)期間，只會(huì)有一個(gè)整流器二極體（DA或DB）處于工作狀態(tài)，不像在全橋式拓?fù)渲?，一般?huì)有兩個(gè)二極體同時(shí)進(jìn)行傳導(dǎo)。這與以兩個(gè)橋式整流器二極體進(jìn)行傳導(dǎo)的傳統(tǒng)PFC升壓相當(dāng)不同。這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)可免除一個(gè)整流器二極體所產(chǎn)生的傳導(dǎo)損耗而提升效率，進(jìn)而提升整體系統(tǒng)的效率。

　　圖1　半無(wú)橋式PFC預(yù)整流器與其電路拓?fù)?/p>

　　半無(wú)橋式PFC雖可提升系統(tǒng)的運(yùn)作效率，但也有較傳統(tǒng)PFC預(yù)整流器更復(fù)雜的缺陷，且設(shè)計(jì)人員必須使用更大的電感元件。如果深入探究傳統(tǒng)PFC升壓預(yù)整流器的電感區(qū)域乘積（WaAcT）及半無(wú)橋式PFC預(yù)整流器的整體電感乘積（WaAcS），即可看出這一點(diǎn)。

　　磁性設(shè)計(jì)人員透過(guò)以繞組（Winding）區(qū)域（Wa）及核心橫截面區(qū)域（Ac）為基礎(chǔ)的區(qū)域乘積計(jì)算來(lái)選取磁性核心。公式1～3計(jì)算半無(wú)橋式及傳統(tǒng)PFC預(yù)整流器的電感區(qū)域總乘積，其中L是PFC升壓電感，IP是峰值PFC輸入電流，ILRMS是均方根（RMS）電流的PFC電感，變數(shù)CD表示所設(shè)計(jì)電感的電流密度，變數(shù)ΔB表示電感中磁通量密度（Flux Density）的變化，Ku表示磁性階段繞組效率。

　　從這些區(qū)域乘積的等式中，可看出半無(wú)橋式PFC電感乘積的區(qū)域總乘積大約比傳統(tǒng)PFC預(yù)整流器的區(qū)域乘積高出1.414倍。亦即半無(wú)橋式PFC的總磁量比使用單一升壓功率級(jí)的傳統(tǒng)PFC預(yù)整流器至少高出1.4倍。

　　交錯(cuò)式PFC具備低EMI/小尺寸優(yōu)勢(shì)

　　交錯(cuò)式PFC預(yù)整流器則是將兩個(gè)升壓功率級(jí)交錯(cuò)。這項(xiàng)控制技術(shù)須使兩個(gè)經(jīng)過(guò)功率因素校正的升壓功率級(jí)保持180度反相運(yùn)作。此一拓?fù)渚哂卸囗?xiàng)優(yōu)點(diǎn)，因此受到廣泛運(yùn)用，其中一項(xiàng)主要的優(yōu)點(diǎn)是可以消除輸入及輸出電感鏈波電流。如果設(shè)計(jì)得宜，亦有助于降低整體升壓電感及/或電磁波干擾（EMI）磁量。消除輸出電感鏈波電流可減少升壓電容均方根電流，使電容體積縮小25%以上。讀者須特別注意，此處所指的電容體積縮小不是指升壓電容體積可以縮小，因?yàn)樯龎弘娙菀话闶怯裳舆t時(shí)間及輸出功率所決定。圖2為交錯(cuò)式PFC預(yù)整流器示意圖。

　　圖2　交錯(cuò)式PFC預(yù)整流器與其電路拓?fù)?/p>

　　交錯(cuò)式PFC預(yù)整流器會(huì)將傳導(dǎo)損耗分散于兩個(gè) PFC升壓功率級(jí)（PCONDUCTION_INTERLEAVED）。相較于使用傳統(tǒng)單一升壓功率級(jí)PFC，設(shè)計(jì)人員可使用交錯(cuò)式PFC減少將近一半的傳導(dǎo)損耗。如果深入探討交錯(cuò)式PFC升壓的簡(jiǎn)化傳導(dǎo)耗損等式，以及傳統(tǒng)單一升壓功率級(jí)PFC預(yù)整流器的簡(jiǎn)化傳導(dǎo)耗損等式（PCONDUCTION_TRADITIONAL），即可看出這一點(diǎn)（公式4～6）。

　　將PFC預(yù)整流器交錯(cuò)可減少升壓電感的總磁量，為了證實(shí)這一點(diǎn)，可深入探究交錯(cuò)式PFC預(yù)整流器內(nèi)兩個(gè)電感的總電感區(qū)域乘積（WaAcI），以及傳統(tǒng)PFC預(yù)整流器升壓電感的區(qū)域總乘積。從公式7與公式8可看出交錯(cuò)式的總區(qū)域乘積是傳統(tǒng)PFC升壓電感區(qū)域總乘積的一半。實(shí)際上，交錯(cuò)式PFC預(yù)整流器兩個(gè)電感的總升壓電感量會(huì)比傳統(tǒng)PFC升壓電感的電感量少32%。