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)推動了圖騰柱 (totem-pole)PFC 等無橋拓?fù)涞膶崿F(xiàn)，而MPF32010等先進(jìn)的圖騰柱控制器更加簡化了交錯式圖騰柱 PFC 等復(fù)雜設(shè)計的控制。本文對三種拓?fù)湓诓煌瑧?yīng)用中的使用情況進(jìn)行了比較，包括交錯式升壓PFC、無橋圖騰柱 PFC 和交錯式圖騰柱 PFC。

　　交錯式升壓 PFC

　　交錯式升壓 PFC 是最常見的功率因數(shù)校正拓?fù)?。這種拓?fù)涑瞬捎谜鞫O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較高的值，這降低了輸出電壓紋波，同時將電流整形為正弦波。

　　圖 1：交錯式升壓 PFC 原理圖

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

　　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現(xiàn)的設(shè)計變得可行。其中之一即為無橋圖騰柱拓?fù)洌撏負(fù)浼闪苏骱蜕龎杭?，并提供兩個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)對輸入電壓進(jìn)行整流。第二個分支稱為快速分支(Q1 和 Q2)，主要在提升電壓的同時對電流整形，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，這個問題通常可以采用集成式圖騰柱控制器得到緩解。

　　交錯式圖騰柱 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：交錯式無橋圖騰柱 PFC 原理圖

　　PFC 拓?fù)涞谋容^實驗設(shè)計

　　操作參數(shù)

　　為了比較不同情況下的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，我們針對兩個功率級別開發(fā)了一系列仿真模型。同時采用相同的系統(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，通過測量單個開關(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) 來計算：

　　電流總諧波失真(THDI)：在沒有濾波器的情況下測量輸入電流中存在的諧波失真可得到 THDI。THDI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) 計算：

　　Efficiency (?): 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 與交錯式升壓 PFC 的比較結(jié)果

　　第一項測試模擬了 300W 應(yīng)用的所有三種拓?fù)?，這種功率級別通常用于計算機電源。第二項測試模擬了3kW 應(yīng)用下的拓?fù)洌@種高功率級別通常用于電動汽車充電等應(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)計人員必須認(rèn)真思考，合理選擇設(shè)計，并針對應(yīng)用審慎優(yōu)化。為闡明這一點，我們對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

　　拓?fù)浔容^的第一個關(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，變換器中的電流相對較小，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)和交錯式圖騰柱設(shè)計中的損耗差別不大，為簡單起見，我們對交錯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)計中的功率損耗

　　當(dāng)以 3kW 功率運行時，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a(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)計中的功率損耗

　　交錯式升壓和圖騰柱 PFC拓?fù)涞男侍嵘?/p>

　　升壓和圖騰柱 PFC 拓?fù)浔容^的另一個關(guān)鍵點是工作模式的比較。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 THDI，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)多個變換器可以將電流應(yīng)力分布在多個相位上，從而提高性能。就其本身而言，單個非交錯式升壓變換器的效率和性能是無法與圖騰柱 PFC相比的。但通過交錯連接多個升壓變換器，性能可以得到明顯提高。因此，交錯式升壓拓?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式連接。交錯式連接將電流分配到兩個支路上，從而使每個支路的電感都減半，這放寬了電源開關(guān)要求，同時也降低了輸入電流紋波。

　　圖 8：交錯式升壓 PFC 中的電感電流

　　表 2對三種 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)的比較說明了交錯式升壓、圖騰柱和交錯式圖騰柱 PFC 拓?fù)涞闹饕匦?，幫助設(shè)計人員為其應(yīng)用選擇合適拓?fù)洹?/p>

　　升壓 PFC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，因此成為大多數(shù)設(shè)計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，MPF32010等集成式圖騰柱控制器的引入能夠極大地簡化圖騰柱 PFC 變換器的實現(xiàn)。