電源轉換的交錯式PFC控制技術(shù)應用

電源設計工程師設計交錯式PFC轉換器已有數年，但因缺少合適的控制器，所以對電源控制的設計必須非常謹慎。為使交錯式PFC設計變得更輕松，德州儀器(TI)開(kāi)發(fā)出兩款交錯式PFC控制器：一款為針對平均電流模式預調節器的控制器(UCC28070)，另一款為針對交錯式轉移模式PFC預調節器的控制器(UCC28060)。本文將討論如何利用交錯式PFC及其控制技術(shù)來(lái)增加功率密度、提高系統效率并降低系統成本。

　　交錯式PFC升壓預調節器(圖1)僅由兩個(gè)PFC升壓轉換器組成，這兩個(gè)升壓轉換器的工作相位相差180°，可降低由電感電流(IL1和IL2)引起的輸入電流(IIN)。由于電感高頻紋波電流為反相，所以二者相互抵銷(xiāo)，從而降低由升壓電感電流引起的輸入紋波電流。電感紋波電流的消除允許電源設計工程師在減少由升壓電感引起的輸入紋波的同時(shí)并聯(lián)升壓PFC預調節器，這可以降低總的電感升壓幅度和/或縮小EMI濾波器尺寸。此外，與單級拓撲結構相比，交錯式PFC預調節器的高頻輸出電容的均方根(RMS)電流(ICOUT)不到前者的50%。高頻升壓電容的RMS電流的減少最多可以使升壓電容數量下降25%。請不要將升壓電容數量與設計時(shí)所需的電容數量相混淆，轉換器所需的電容數量一般由保持時(shí)間決定。

　　圖1：交錯式PFC升壓預調節器僅由兩個(gè)PFC升壓轉換器。

　　與單級預調節器相比，交錯式PFC預調節器最多可以將設計所需的總電感能量降低50%。為詳細說(shuō)明這一點(diǎn)，可考慮單級PFC所需的電感能量(ES(L))以及交錯式PFC所需的總電感能量(EI(L1+L2))的公式。對于相同的功率級，如果在這兩種設計中使用相同的電感值，那么交錯式設計所需的總電感能量只有單級設計的一半。事實(shí)上，交錯式設計所減少的電感能量最多可以使磁體體積減少32%。

　　通過(guò)比較單級PFC的傳導損耗(PCS)與交錯式PFC的總體傳導損耗(PCI)可看出：與單級功率因數校正轉換器相比，交錯式PFC預調節器可最多可使傳導損耗降低50%。傳導損耗的降低將使交錯式PFC預調節器在更高的電壓下具有更高的效率(此時(shí)傳導損耗為主要損耗)。

　　過(guò)去，電源設計工程師被迫采用分立電路控制方案來(lái)控制交錯式PFC預調節器。為幫助電源設計工程師實(shí)現交錯式設計，TI推出了兩款交錯式PFC控制器，其中UCC28060控制器不僅能讓兩個(gè)轉移模式PFC預調節器交錯運行，還采用了恒定導通時(shí)間控制技術(shù)，不需要對電流進(jìn)行檢測。該技術(shù)消除了對升壓FET源端的電流檢測電阻的需求，只有在保護升壓FET的峰值限流電路中才需要電流檢測。峰值限流比較器被設計成在200mV時(shí)才被觸發(fā)，該觸發(fā)電壓還不到轉移模式PFC控制器通常所需電流感應信號的電壓的1/6。由于具有電流檢測功能，這種創(chuàng )新技術(shù)大大降低了傳導損耗。圖2為采用UCC28060控制IC的交錯式PFC預調節器原理圖。

　　圖2：采用UCC28060控制IC的交錯式PFC預調節器原理圖。

　　雖然交錯式PFC預調節器可以通過(guò)降低傳導損耗提高效率，但當開(kāi)關(guān)損耗(PS)為主要損耗時(shí)，它實(shí)際上會(huì )降低轉換器的輕負載效率。下面方程式對雙相交錯式升壓二極管和升壓FET開(kāi)關(guān)損耗進(jìn)行了說(shuō)明，其中，VDS與IDS分別為FET的漏源極開(kāi)關(guān)電壓和漏極電流，變量tr和tf為FET的漏源極上升和下降時(shí)間，Coss為FET的漏源極寄生電容，Qg為FET的柵極電荷，Vg為施加在FET柵極驅動(dòng)上以將其導通的柵極驅動(dòng)電壓，變量fs表示轉換器的轉換頻率，變量IRR表示升壓二極管的反向恢復電流。從這個(gè)方程式可知，由COSS、Qg以及IRR引起的總體損耗是單級PFC預調節器的兩倍。在輕負載條件下關(guān)閉其中一個(gè)交錯相位，進(jìn)入單相運行模式，可以提高輕負載條件下的效率。

　　為提高輕負載效率，UCC28060具有可選的內置相位管理電路，啟動(dòng)這一功能就可以讓系統的輕負載效率提高1~3%(圖3)。

　圖3：UCC28060通過(guò)相位管理實(shí)現的效率提高。

　　用來(lái)控制交錯式PFC的第二款控制IC是UCC28070。該控制IC能讓兩個(gè)平均電流模式PFC升壓級交錯運行。為確保預調節器具有最高效率，該IC能與電流感應變壓器來(lái)檢測電流。此外，為確保調節與電流共享功能正常，UCC28070可以與單電壓回路和兩個(gè)單獨的電流回路協(xié)同工作。

　　使用電流感應變壓器的PFC升壓預調節器通常要求檢測升壓二極管(D1)和升壓開(kāi)關(guān)(Q1)的電流。一般來(lái)說(shuō)，電流感應電路由兩個(gè)電流感應變壓器(CT1和CT2)、兩個(gè)整流器二極管(D)、兩個(gè)復位電阻(RR)以及一個(gè)電流感應電阻(RS)組成(圖4)。在交錯式PFC預調節器結構中，可能每個(gè)相位的電流都要進(jìn)行檢測。為降低系統成本，TI開(kāi)發(fā)了電流合成技術(shù)，無(wú)需感測升壓二極管電流就能直接合成升壓二極管電流，從而能在電路中節省一個(gè)電流感應變壓器(CT2)、一個(gè)整流器二極管和一個(gè)復位電阻。

　　圖4：電流合成技術(shù)降低了電流感應變壓器的數量。

　　總之，通過(guò)減少電容數量和總的電感數量，交錯式PFC預調節器可以提高功率密度。交錯式電源轉換器可以降低傳導損耗，提高整體系統效率。過(guò)去由于沒(méi)有PFC控制器，電源設計工程師必須謹慎地對待交錯式PFC控制。為在設計過(guò)程中提供幫助并使交錯式PFC控制變得更簡(jiǎn)單，TI推出了創(chuàng )新型交錯式PFC控制器。UCC28060是專(zhuān)門(mén)針對轉移模式交錯式PFC而設計的，具有內置相位管理功能，以提高輕負載效率。UCC28070是專(zhuān)門(mén)針對交錯式平均電流模式PFC而設計的，采用了創(chuàng )新型電流合成技術(shù)，它通過(guò)減少電流變壓器電流檢測所需組件的數量來(lái)降低系統成本。