為何PFC對實現(xiàn)高能效至關重要

幾乎每個人都意識到需要優(yōu)化能效，無論是力求在高能源價格時代限制成本的消費者和企業(yè)運營商，還是期望滿足日益復雜的要求和眾多標準的設計人員。如果尚未以浪費能源的高成本為動力，那么產(chǎn)生能量對環(huán)境的影響就會隨著熱量的增加而成為越來越顯著的問題。

認識到需要改進，各國政府和行業(yè)協(xié)會都制定了書面標準，在某些情況下必須在產(chǎn)品投放市場前就滿足這些標準。關注成本或有環(huán)保意識的客戶在做出購買決定時依賴于這些標準，以確信他們在購買高能效的產(chǎn)品。

需要解決的一個關鍵領域是功率因數(shù)校正(PFC)級，包括電磁干擾(EMI)濾波器。

高能效不僅僅在單個點

對于任何與電源有關的應用，能效一直是個問題，也是制造商在其規(guī)格中規(guī)定的一個參數(shù)。然而，在過去高能效被認為是單個點盡可能最好的數(shù)字，通常在滿載的75%左右。

因此，制造商將注意力集中在這一負載水平，以提高他們所理解的產(chǎn)品能效。但實際上器件在這個功率水平上只工作一小部分時間。在實際應用中，特別是具有動態(tài)負載的應用中，這代表實際能效遠遠低于預期。

為了解決這種情況，現(xiàn)代能源標準考慮的是整個能效曲線的性能，而不僅僅是曲線上的最佳點。因此，設計人員正在研究如何設計電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的關鍵器件，以在低負載和中等負載水平下工作得更好。最關鍵的一個領域是PFC級和EMI濾波器，二者共消耗高達8%的輸出功率。

PFC概述

電力公司的供電電壓總是正弦的，但線路電流的波形和相位取決于所供電的負載。對于最簡單的電阻負載，負載電流也是正弦的，并且在相位上使功率易于計算。

如果負載中有電抗元件，如電感或電容器，則負載電流保持正弦，但相移與電壓有關。在這種情況下，有功功率(也稱為“實際”或“平均”功率)像以前一樣計算，但要乘以相角(位移因子)的余弦。無功負載越多，有功功率越低。

非線性負載的情況更復雜，例如集成一個二極管橋和大輸入電容的典型開關電源的輸入級。在這里，電流是一系列浪涌尖峰，計算功率要使用傅里葉變換(Fourier transformation)。

圖1：無功負載(左)和非線性負載(右)的電壓(藍色)和電流(紅色)

平均兩個正弦波的乘積需要復雜的計算，只有當兩個波形具有相同的頻率時，才能給出一個非零的結果。但由此可以得出，只有基本分量才能提供真正的功率，而諧波只產(chǎn)生無用的循環(huán)電流。

與位移因子類似，失真因子模擬失真(非正弦)波形對實際功率的影響，將實際功率定義為均方根電壓、均方根電流和這兩個因子的乘積。進一步分析將表明總諧波失真(THD)。

實際上，系統(tǒng)的功率因數(shù)只是位移和失真因子的乘積，因此，真正的功率是均方根電壓、均方根電流和功率因數(shù)的乘積。

校正功率因數(shù)的實用方法

涉及PFC的主要標準是EN 61000-3-2 ，這是為了最小化從電網(wǎng)提供的任何電流的THD而編寫的，通過定義從第二次到第四十次的所有諧波的最大幅值來實現(xiàn)。PFC的要求也在其他文件中(例如能源之星規(guī)范Energy Star)有所提及，許多人認為這導致了PFC技術普遍用于許多應用。

到目前為止，用于滿足這些標準的最常見和最有效的PFC是有源PFC。一種典型的方法是在輸入整流橋和大電容器之間添加一個PFC預穩(wěn)壓器，以提供恒定的電壓，同時確保電流波形是正弦的。

圖2：PFC在二極管橋和大電容器之間

這種方法除了明顯提高功率因數(shù)外，還有許多好處。從PFC階段的輸出通常是一個相當好調(diào)節(jié)的400 V，這使得下游轉(zhuǎn)換器的設計更容易，成本更低。另外，無脈沖電流降低了EMI濾波要求，減少了體積和成本.

然而，這種類型的PFC預轉(zhuǎn)換器不能達到100%的能效，因此，確實造成了系統(tǒng)損耗。在任何電源系統(tǒng)中，都有兩種主要類型的損耗，開關和導通。導通損耗是兩種損耗之和：一種由于橋二極管的正向電壓等因素與系統(tǒng)功率成正比，另一種與系統(tǒng)功率平方成正比，從而構成阻抗損耗如MOSFET的導通電阻。在較高的功率水平下，后者對能效的影響最大。

圖3：開關和導通損耗構成電源系統(tǒng)的總損耗

另一方面，開關損耗很大部分與電流成正比，因此與傳輸?shù)墓β食烧取６渌糠质呛愣ǖ?，與系統(tǒng)的功率無關。它們是由寄生電容和電荷電流引起的，通常與系統(tǒng)的開關頻率成正比。隨著設計人員增加工作頻率以減少系統(tǒng)尺寸，開關損耗成為一個更大的挑戰(zhàn)，特別是在較低的功率水平下，它們在能效損耗中占相當大比例。

PFC控制方案

PFC的各種控制方案都是為了滿足不同系統(tǒng)的需要而開發(fā)的，但總目標都是降低輕載下的開關損耗和較重負載下的導通損耗。

如圖所示，有三種基本的控制方案。連續(xù)導通模式(CCM)在固定頻率工作和限制電感電流紋波，同時支持更高損耗。它通常用于較高功率系統(tǒng)(>300 W)。

臨界導通模式(CrM)在電感電流降到零時開始一個新的開關周期，從而可省去快速恢復二極管。這導致可變開關頻率具有較大紋波電流。這種簡單而低成本的方案廣泛用于包括照明在內(nèi)的低功耗應用。隨著低導通電阻的MOSFET越來越普遍，CrM正用于更高功率的應用中。

圖4：初級單路PFC工作模式

頻率鉗位臨界導通模式(FCCrM)是在幾年前由安森美半導體推出的，用以限制CrM下的擴頻。在頻率最高的輕載下，工作模式改為非連續(xù)導通模式(DCM)，以降低開關損耗。額外的電路解決了DCM中典型的“死區(qū)時間”，從而確保當前的波形是正確的形狀。