如何用無橋圖騰柱功率因數(shù)校正控制器實現(xiàn)出色的AC-DC功率轉(zhuǎn)換效率

Yong Ang

電網(wǎng)提供的電能是交流電，但我們使用的大多數(shù)設備都需要直流電，這意味著進行這種轉(zhuǎn)換的交流/直流電源是能源網(wǎng)上最常見的負載之一。隨著世界關(guān)注能效以保護環(huán)境并管理運營成本，這些電源的高效運行變得越來越重要。

效率作為輸入功率與供給負載的功率之間的比率衡量，很容易理解。但是，輸入功率因數(shù)也有很大的影響。功率因數(shù)（PF）描述了任何交流電設備（包括電源）消耗的有用（真實）功率與總（視在）功率（kVA）之間的比值。PF衡量消耗的電能轉(zhuǎn)換為有用功輸出的有效性。

如果負載是純阻性負載，PF將等于1，但任何負載內(nèi)的無功元件都會降低PF，使視在功率大于有用功率，從而導致效率降低。PF小于1是由電壓和電流相位不同引起的一這在感性負載中很常見。它也可能是由于諧波含量高或電流波形失真，這在開關(guān)型電源（SMPS）或其他類型的不連續(xù)電子負載中很常見。

校正PF

許多不帶PF校正的SMPS （開關(guān)電源，Switching Mode Power Supply）比經(jīng)過校正的SMPS消耗的電流更高，因此在功率水平高于70 W的條件下，立法要求設計人員添加電路將PF值校正為接近1。最常見的有源PF校正（PFC）技術(shù)使用升壓轉(zhuǎn)換器將整流電源轉(zhuǎn)換為直流高電平，然后使用脈寬調(diào)制（PWM）來調(diào)節(jié)直流電平。

雖然這項技術(shù)效果很好且易于實施，但也存在一些挑戰(zhàn)。現(xiàn)代效率標準（如嚴格的“80+鈦金標準”）要求在整個寬功率范圍內(nèi)具有高效率，在50%負載條件下的峰值效率需達到96%。由于PFC （ Power Factor Correction，功率因數(shù)校正）級之后的DC-DC （直流-直流）轉(zhuǎn)換器通常具有2%的損耗，線性整流和PFC 級本身只能損耗2%——這對橋式整流器中的二極管來說是一個挑戰(zhàn)。

然而，如果將升壓二極管（D5）替換為同步整流器，效率則會提高。此外，只需要兩個線性整流二極管，也可以采用同步整流器（Q3和Q4），進一步提高效率。這種技術(shù)被稱為圖騰柱PFC（TPPFC），借助理想、電感和出色開關(guān)，效率可以接近100%。現(xiàn)代MOSFET （金屬-氧化物半導體場效應晶體管）具有出色的性能，但尚未達到理想、開關(guān)的水平——即使并聯(lián)使用時也很難達到。因此，寬帶隙半導體開關(guān)將與圖騰柱PFC拓撲攜手并進。

應對損耗

隨著開關(guān)頻率不斷提高的發(fā)展趨勢，開關(guān)器件中的動態(tài)損耗會產(chǎn)生更大的影響。這些損耗是MOSFET被配置為圖騰柱高速開關(guān)橋臂時的反向恢復所致，當其體二極管在開關(guān)“死區(qū)”時間內(nèi)導通時，必須耗盡相關(guān)的存儲電荷，損耗也來自于開關(guān)輸出電容的充電和放電。

事實上，硅基MOSFET的動態(tài)損耗可能相當大，因此，設計人員越來越多地在TPPFC應用中指定使用寬帶隙半導體材料，例如碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）器件。這些器件的附加優(yōu)勢是更高工作頻率和高溫工作能力一一這兩個特性在電源應用中非常有用。

臨界導通模式（CrM）通常是TPPFC的首選導通模式，尤其是在功率高達幾百瓦時，該模式提供了效率和 EMI性能之間的良好折衷。連續(xù)導通模式（CCM）可進一步降低開關(guān)中的RMS電流和導通損耗，使TPPFC能夠適用于千瓦級額定功率的應用。

即便使用CrM，效率在輕負載條件下也會明顯下降（可達10%），這在我們試圖滿足待機或空載能耗限制時帶來了真正的挑戰(zhàn)。一種解決方案是箝位或“折返”最大允許頻率，從而在輕負載條件下強制電路進入 DCM，該模式下的較高峰值電流仍低于同等CrM實現(xiàn)中的峰值電流。

將TPPFC與CrM工作和頻率箝位相結(jié)合，可提供—個良好的中等功率解決方案，在整個負載范圍內(nèi)提供出色的效率，尤其是當WBG （寬禁帶）開關(guān)用于高頻橋臂時。

其他挑戰(zhàn)

解決了效率挑戰(zhàn)后，還需要克服最后一個障礙。需要同步驅(qū)動四個有源器件，并且必須檢測電感的零電流交越以強制CrM。該電路必須能夠在需要時自動切換進入和退出DCM，而且在完成所有這些操作的同時，保持高功率因數(shù)并生成一個PWM信號來調(diào)節(jié)輸出。除此之外，還要求提供電路保護（例如過電流和過壓）。

—般來說，鑒于所涉及的復雜性，最佳方法是在微控制器中實現(xiàn)控制算法。然而，這種方法可能很昂貴，而且需要生成并調(diào)試代碼，這是許多設計人員希望避免的領(lǐng)域。

采用C rM的TPPFC無代碼解決方案

完全集成的TPPFC控制解決方案具有許多優(yōu)勢，包括能夠提高性能水平、縮短設計時間和降低設計風險，同時無需采用微控制器和相關(guān)代碼。

安森美提供的混合信號TPPFC 控制器NCP1680在恒定導通時間的CrM下工作，確保在整個負載范圍內(nèi)實現(xiàn)高效率。NCP1680可在輕負載條件下提供頻率折返期間的“谷底開關(guān)”，通過在最低電壓下進行開關(guān)操作來提高效率。數(shù)字電壓控制環(huán)路經(jīng)過內(nèi)部補償，可優(yōu)化整個負載范圍內(nèi)的性能，同時能夠確保設計過程保持簡單。

這款創(chuàng)新的控制器采用小型SOIC-16封裝，利用專有的低損耗方法進行電流檢測和逐周期限流，無需外部霍爾效應傳感器即可提供出色的保護水平，從而降低復雜性、尺寸和成本。所有必要的控制算法都嵌入在IC中，為設計人員提供低風險、經(jīng)過試用和測試驗證的解決方案，在經(jīng)濟價位下提供高性能。