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MPF32010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(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。

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)?，該拓?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）。

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?。但額外的有源開關(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。

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?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(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：

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(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。

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）。

繼續(xù)閱讀 >>>請(qǐng)復(fù)制下方鏈接進(jìn)入MPS官網(wǎng)查看：

https://bit.ly/3RK6PEG