圖騰柱功率因數(shù)校正技術(shù)提升電源轉(zhuǎn)換效率和功率密度

目前市面上的各種電器大多需要進行AC-DC電源轉(zhuǎn)換，因此若能提升AC-DC電源轉(zhuǎn)換效率，將有助于降低家庭的電力消耗與企業(yè)的運營成本，也有利于提升像是儲能系統(tǒng)、電池充電等應(yīng)用的運作效率。本文將為您介紹功率因數(shù)校正技術(shù)的特性，以及由安森美（onsemi）推出的NCP1681 PFC控制器的產(chǎn)品特性與優(yōu)勢。

功率因數(shù)校正技術(shù)改善AC-DC電源轉(zhuǎn)換效率

世界上的大部分電能都提供給幾乎所有主電源供電設(shè)備和設(shè)備中的AC-DC電源，這意味著它們的效率對運營成本有巨大影響，較低的轉(zhuǎn)換效率將顯著增加碳排放。在電源應(yīng)用中，幾乎所有AC-DC電源中的輸入橋式整流器都會產(chǎn)生損耗，這對實現(xiàn)盡可能高的效率數(shù)字提出了挑戰(zhàn)。然而，移除傳統(tǒng)二極管橋、PFC FET和升壓二極管，以支持無橋圖騰柱PFC布置，將可通過使用有源開關(guān)提高效率。不過，新拓?fù)涞目刂茖⒏鼮閺?fù)雜，通常需要微控制器和相關(guān)代碼，這給時間有限的設(shè)計團隊帶來了采用障礙。

雖然效率是一個相對簡單的概念，代表著有用輸出功率與輸入功率之比，因此輸入功率會受到輸入功率因數(shù)的顯著影響，輸入功率因數(shù)會隨著線路電流和線路電壓異相移動而增加。產(chǎn)品中的輸入功率和功率因數(shù)的乘積是視在功率，用它來計算真實效率，會導(dǎo)致整體效率數(shù)字顯著降低，如此產(chǎn)生的干擾和低效率，將會通過公用事業(yè)網(wǎng)絡(luò)傳播回來。

但是，使用功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)便可以解決這種情況，這個概念非常重要，現(xiàn)在已成為監(jiān)管要求。從技術(shù)角度來看，為了提高功率因數(shù)，IEC 61000?3?2等EMC標(biāo)準(zhǔn)，限制了由于線路電流失真而存在的線路諧波中的功率。

此外，過去主要考慮效率的峰值，這掩蓋了性能不佳的情況，尤其是當(dāng)系統(tǒng)在低功率水平下運行時。為解決這個問題，80+認(rèn)證計劃等新方案要求在20%、50%和100%滿載時效率達到80%。80+標(biāo)準(zhǔn)中最嚴(yán)格的版本是“80+ Titanium標(biāo)準(zhǔn)”，它規(guī)定在10%負(fù)載時效率至少為90%，在滿負(fù)載時效率至少為94%。

滿足“80+ Titanium標(biāo)準(zhǔn)”的要求

最常見的方法是PFC使用升壓轉(zhuǎn)換器，從整流電源獲得高于電源電壓峰值的直流電平。這個DC電平通常為395 V，用于設(shè)計用于90至264 VAC輸入的電源，然后使用隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換級進行調(diào)節(jié)，以產(chǎn)生電源供應(yīng)器所需的DC輸出電壓。一個有價值的副產(chǎn)品是線路電流跟隨線路電壓波形將給出（至少在理論上）一致的功率因數(shù)。

上述方法是有效的，PFC可以設(shè)計為在連續(xù)、不連續(xù)或臨界導(dǎo)通模式（CCM、DCM、CrM）下運行，這在很大程度上取決于升壓電感器中的能量是否在每個周期內(nèi)完全耗盡。通常，DC-DC級有2%的損耗，線路整流和PFC級則有1%的損耗，盡管在低線路運行期間這更接近2%。由于低壓線路損耗接近4%，因此要滿足最嚴(yán)格的80+ Titanium標(biāo)準(zhǔn)水平是一項重大挑戰(zhàn)，該標(biāo)準(zhǔn)要求在230VAC輸入和50%負(fù)載下效率高達96%，這是服務(wù)器中常用的規(guī)范。

為了解決這個問題，一種稱為無橋“圖騰柱PFC”（TPPFC）的更高效技術(shù)已經(jīng)引起了人們的興趣。在這種方法中，有源開關(guān)取代了交流線路橋式整流二極管，并吸收了傳統(tǒng)升壓PFC中升壓晶體管和升壓二極管的作用。

借助無損開關(guān)、完美的電感器和無二極管壓降，TPPFC電路效率變得非常接近100%。然而，在現(xiàn)實世界中，MOSFET存在傳導(dǎo)和開關(guān)損耗。盡管可以使用超低導(dǎo)通電阻器件（甚至并聯(lián)）來最小化傳導(dǎo)損耗，但結(jié)果通常會增加高頻開關(guān)損耗，這與幾乎所有設(shè)計一樣，需要做出權(quán)衡。

圖騰柱PFC實現(xiàn)更高的系統(tǒng)效率和功率密度

PCB布局也在電源轉(zhuǎn)換中起著重要作用，磁性組件和電容器通常以高頻開關(guān)，導(dǎo)致電壓和電流不連續(xù)且具有尖銳邊緣，通常稱為高dv/dt和di/dt邊緣。由于電源轉(zhuǎn)換器中普遍存在這些尖銳邊緣，PCB布局中的任何寄生電感和電容都會導(dǎo)致噪聲注入各個節(jié)點。這些問題在使用寬帶隙（WBG）器件（例如GaN和SiC）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中尤為嚴(yán)重。WBG器件通常具有較低的電容，并以更快的速度切換，從而進一步增加了各種邊沿的dv/dt和di/dt。

TPFC電路的拓?fù)鋭t是由兩個半橋配置組成，其中一個半橋，通常稱為“Fast Leg快臂”開關(guān)，以PWM頻率開關(guān)，另一個半橋，通常稱為“慢臂Slow Leg”開關(guān)，以AC線路頻率開關(guān)?？毂坶_關(guān)在經(jīng)典升壓PFC中扮演開關(guān)和二極管的角色，即這些開關(guān)用于調(diào)節(jié)輸出電壓和整形輸入電流，以提供高功率因數(shù)和低諧波失真。慢臂開關(guān)在經(jīng)典升壓PFC中扮演二極管電橋的角色，使用具有低導(dǎo)通電阻的有源開關(guān)代替二極管，從而提高了效率。

此外，TPFC在傳導(dǎo)路徑中僅使用一個慢臂和一個快臂器件運行，而傳統(tǒng)升壓PFC在傳導(dǎo)路徑中使用兩個橋式二極管和一個有源開關(guān)或升壓二極管運行，傳導(dǎo)路徑中更少的器件和有源開關(guān)，將取代橋式二極管，使TPFC拓?fù)淠軌驅(qū)崿F(xiàn)比傳統(tǒng)升壓PFC更高的系統(tǒng)效率和功率密度。

支持連續(xù)傳導(dǎo)與多模式的功率因數(shù)控制器

本文介紹來自安森美的NCP1681 PFC控制器，因為它為圖騰柱PFC提供了無代碼解決方案。安森美的NCP1681 PFC控制器，這是一款支持圖騰柱連續(xù)傳導(dǎo)模式（CCM）與多模式（CrM-CCM）的功率因數(shù)校正控制器，可用于驅(qū)動無橋圖騰柱PFC拓?fù)?。無橋圖騰柱PFC是一種功率因數(shù)校正架構(gòu)，由以PWM開關(guān)頻率驅(qū)動的快速開關(guān)支路，和以交流線路頻率運行的第二支路組成。這種拓?fù)湎藗鹘y(tǒng)PFC電路輸入端的二極管電橋，從而顯著提高了功率級效率，控制器可配置為在CCM或CrM-CCM下運行。

這款NCP1681采用圖騰柱PFC拓?fù)淇上斎攵O管電橋，支持高功率級的CCM操作，具備可選的多模式操作，可支持在高功率水平執(zhí)行CCM和在中功率水平執(zhí)行CrM操作，DCM中頻率折返的最小頻率為25 kHz，支持在極輕負(fù)載條件下的跳躍模式，采用新型電流檢測方案，可支持?jǐn)?shù)字電壓環(huán)路補償，以及交流線路監(jiān)控電路和交流相位檢測，所有工作模式下的功率因數(shù)接近一致，具有PFC OK指示燈。

NCP1681適用于300 W至2.5+ kW的大功率轉(zhuǎn)換器，NCP1681需要電感器上斜率和下斜率信息，來實現(xiàn)平均電流模式控制，因此在高頻支路中采用電流互感器。NCP1681板可分為三個部分，包括EMI濾波器、動力傳動和低壓部分，每個部分都有特定的布局和布線需求。

NCP1681可廣泛應(yīng)用于功率因數(shù)校正、離線電源，常見的終端產(chǎn)品包括服務(wù)器電源、電信5G電源、網(wǎng)絡(luò)電源、游戲機電源、超高清電視電源、工業(yè)電源等。

結(jié)語

TPPFC方法是高效PFC至數(shù)百瓦的首選解決方案，同時確保符合80+ Titanium效率標(biāo)準(zhǔn)和其他待機功耗和空載損耗的環(huán)境要求。更高的效率是每個應(yīng)用的要求，因此可以從基于CrM的有源PFC中獲得的改進為用戶帶來好處（包括降低運營成本）。安森美提供的WBG半導(dǎo)體、先進的PFC控制器和設(shè)計支持工具，將可大大簡化了電源設(shè)計任務(wù)以提高效率，并確?？蛻舻漠a(chǎn)品可以更快地推向市場。