選擇正確的功率因數校正(PFC)拓撲

引言
 
　　隨著(zhù)減小諧波標準的廣泛應用，更多的電源設計結合了功率因數校正 (PFC) 功能。設計人員面對著(zhù)實(shí)現適當的PFC段，并同時(shí)滿(mǎn)足其它高效能標準的要求及客戶(hù)預期成本的艱巨任務(wù)。許多新型PFC拓撲和元件選擇的涌現，有助設計人員優(yōu)化其特定應用要求的設計。
 
　　由于有源PFC設計可以讓設計人員以最少的精力滿(mǎn)足高效能規范的要求，因此在近年來(lái)取得了好的發(fā)展。通過(guò)簡(jiǎn)化主功率轉換段的設計和減少元件數目，包括用于通用操作的波段轉換開(kāi)關(guān)和若干占用電容，此設計也附帶了一些優(yōu)勢。
 
拓撲選擇
 
　　由于輸入端存在電感，升壓轉換器是提供達至高功率因數的方法。此電感使輸入電流整形與線(xiàn)路電壓同相。但是，可以采用不同的方案來(lái)控制電感電流的瞬時(shí)值，以獲得功率因數校正。圖1為這些方案的簡(jiǎn)要概述。
 
　　a. 臨界導電模式 (CRM) PFC - 由于控制的設計較為簡(jiǎn)單，而且可與較低速升壓二極管配合使用，所以在較低功率應用中通常采用這方法。近年來(lái)，此方法獲創(chuàng )新的改進(jìn)，提升了效率，MC33260 PFC 控制器提供跟隨升壓選項，通過(guò)使升壓轉換器的輸出電壓隨著(zhù)線(xiàn)路電壓的變化而變化，降低了33%的 MOSFET 導電損耗，減小了43%的升壓電感尺寸。此外，專(zhuān)為CRM和DCM應用而設計的升壓二極管可提供更佳的正向壓降(MUR450, MUR550)。然而，CRM PFC仍受到一些限制，如較難過(guò)濾的可變頻率和接近零交叉的高開(kāi)關(guān)頻率。
 
　　b. 不連續導電模式(DCM) PFC -此創(chuàng )新的方案延承了CRM的優(yōu)點(diǎn)，并消除了若干限制，安森美半導體的NCP1601 DCM/CRM控制器便是一例。此器件可完全在DCM中工作并保持恒頻，也可以部分在CRM模式中工作。在第二種情況下，峰值電流與CRM維持在同一水平，但最高頻率明顯降低，減輕了濾波負擔。降低開(kāi)關(guān)頻率的另一大優(yōu)點(diǎn)是有助降低輕載或空載功耗，以滿(mǎn)足各種高能效標準。NCP1601 [3] 具有專(zhuān)利控制架構，通過(guò)模式轉換保持PFC，提供比其它方法更為卓越的性能。圖2顯示了NCP1601A在100 W中的應用，這種方法簡(jiǎn)單且有效 - 110 Vac 和滿(mǎn)載時(shí)的功率因數超過(guò)0.99且效率高達 94%。
 
　　c. 連續導電模式 (CCM) PFC - 由于這種方案恒頻且峰值電流較小，是較高功率 (>250 W) 應用的首選方案。但是，傳統的控制解決方案較為復雜，牽涉到多個(gè)環(huán)路，以及以不精確著(zhù)稱(chēng)的模擬乘法器，并需在控制集成電路周?chē)旁S多元件。隨著(zhù)NCP1653(簡(jiǎn)單且穩固的8引腳CCM PFC控制器)的推出，此方案得以簡(jiǎn)化。NCP1653并提供全套保護特性和跟隨升壓功能。如圖3所示，雖然NCP1653所需元件極少，但其性能卻并不比任何CCM 控制器遜色 (110 Vac, 300 W 時(shí)的THD為4 %，效率高達93%)。
 
選擇標準
 
　　既然實(shí)行功率因數校正有多種新興方案可供選擇，那么應該如何決定選擇哪種方案呢？ 以下是簡(jiǎn)要的指南，幫助設計人員選擇適合的方案。詳細指南可參閱安森美半導體的PFC 手冊。
 
1. 功率水平
 
　　a. 如果功率水平低于150 W，最好采用CRM或DCM方案。至於__CRM或DCM，取決于你是想優(yōu)化滿(mǎn)載效率(請采用CRM)；而如欲減少EMI問(wèn)題(請選擇DCM)。如上所述，NCP1601提供集兩種方案優(yōu)點(diǎn)于一身的極佳選擇方案。
 
　　b. 如功率水平高于250 W，CCM是首選方案。此方案雖然可保持峰值電流和RMS電流，但必須解決二極管反向恢復問(wèn)題。
 
　　c. 如功率水平在150 W與250 W之間，方案的選擇則取決于設計人員的磁件設計水平(CRM和DCM方案的升壓電感更具挑戰性)，但CCM方案雖然較為昂貴，但較有把握。隨著(zhù)NCP1653的推出，成本問(wèn)題已獲解決。
 
2. 其它系統要求：拓撲的選擇還取決于其它系統要求。例如，如果需要使系統中的頻率同步，則不能采用CRM。此外，如果第二個(gè)功率段可處理較大范圍(在某些功率序列安排中可能需要)的輸入電壓，則應選擇跟隨升壓。最后，如果電源的輸出電壓未有嚴格規定，則最好采用NCP1651提供的單段隔離PFC解決方案。
 
結語(yǔ)
 
　　設計人員可試驗各種功率因數校正方案，以選擇適合其應用的最佳方案。利用易用的設計工具可以快速順利地完成此任務(wù)。隨著(zhù)世界各地監管機構日益加強能源監管的參與力度以及全球化步伐進(jìn)一步加快，將有越來(lái)越多的系統需采用PFC電路。在此情況下，設計人員必須熟悉各種可選方案，以選擇最適合其應用的方案。
 
參考文獻：
 

1.  Olivier Meilhon, Kristie Valdez, Dhaval Dalal, Power factor correction handbook, HBD853/D Rev. 2, Aug 2004, http://www.onsemi.com/pub/Collateral/ HBD853-D.PDF
 

2.  O. Meilhon, "Computer Design Aid greatly simplifies the design of Power Factor Converters", 2005年3月PCIM-China會(huì )上發(fā)布/出版。 1
 

3.  Joel Turchi, "A Novel Scheme for Current Shaping Circuits Yields Unity Power Factor in Fixed Frequency and Discontinuous Conduction Mode", PCIM Europe，2004年5月號。