工程師詳解PFC在電源設計中的作用

　　Teslaco公司總裁Slobodan Cuk博士開(kāi)辟了這個(gè)領(lǐng)域的新天地，他研發(fā)出一種直接由交流電源線(xiàn)供電的無(wú)橋PFC轉換器（正在申請專(zhuān)利）。該轉換器據稱(chēng)是首款真正的單級無(wú)橋AC-DC PFC轉換器。

　　為了實(shí)現這一壯舉，Cuk采用了一種新的開(kāi)關(guān)功率轉換方法，這種方法稱(chēng)為“混合開(kāi)關(guān)”（hybrid-switching）。該方法采用僅包含三個(gè)開(kāi)關(guān)的轉換器拓撲：一個(gè)可控開(kāi)關(guān)S和兩個(gè)無(wú)源整流器開(kāi)關(guān)（CR1和CR2）（圖10）。輸入交流電壓為正極或負極時(shí)，兩個(gè)整流器根據主開(kāi)關(guān)（S） 的狀態(tài)作出相應的導通和關(guān)斷操作。該拓撲由一個(gè)與輸入串聯(lián)的電感、浮動(dòng)的能量傳輸電容（作為開(kāi)關(guān)周期部件的諧振電容器）和一個(gè)諧振電感組成。

　　由于基于PWM方波開(kāi)關(guān)的傳統轉換器采用電感和電容器，因此它們需要互補的成對開(kāi)關(guān)。當一個(gè)開(kāi)關(guān)導通時(shí)，其互補的開(kāi)關(guān)就關(guān)斷，反之亦然。因此，只允許采用偶數個(gè)開(kāi)關(guān)，而新型混合開(kāi)關(guān)PFC轉換器可以采用奇數個(gè)（3個(gè)）開(kāi)關(guān)。

　　在這種設置中，這樣的互補開(kāi)關(guān)是不存在的。一個(gè)有源開(kāi)關(guān)S單獨控制兩個(gè)二極管，其角色會(huì )根據交流輸入電壓的極性自動(dòng)發(fā)生變化。例如，交流輸入電壓為正極時(shí)，CR1在開(kāi)關(guān)S的導通間隔導電。而交流輸入電壓為負極時(shí)，CR1在開(kāi)關(guān)S的關(guān)斷間隔導電。此外，CR2還根據開(kāi)關(guān)S的狀態(tài)和輸入交流電壓極性自動(dòng)作出反應。交流輸入電壓為正極時(shí)，CR2在開(kāi)關(guān)S的關(guān)斷間隔導電;交流輸入電壓為負極時(shí)，CR2在開(kāi)關(guān)S的導通間隔導電。

　　因此，三個(gè)開(kāi)關(guān)可以在輸入交流線(xiàn)路電壓的正半周期和負半周期的整個(gè)周期內工作。因此，這種真正的無(wú)橋PFC轉換器無(wú)需全橋式整流器也可以工作，這是因為轉換器拓撲實(shí)際上執行了交流線(xiàn)路整流。最終在輸入交流線(xiàn)路電壓的正負半周期實(shí)現了同樣的直流輸出電壓。消除全橋式整流器相當于直接消除了損耗 （特別是對于85V的低電壓線(xiàn)路而言）。

　　初級的有源開(kāi)關(guān)S在開(kāi)關(guān)頻率下調制和工作，該開(kāi)關(guān)頻率比線(xiàn)路頻率高三個(gè)數量級（比如，開(kāi)關(guān)頻率為50kHz時(shí)，交流線(xiàn)路頻率為50/60Hz）。占空比（D）可以通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的導通時(shí)間和所有的穩態(tài)指標（比如，直流轉換率）來(lái)定義，電感L的直流電流根據D來(lái)表示。

　　隨后，全波輸入線(xiàn)路電壓和輸入線(xiàn)路電流被感測后作為輸入發(fā)送至無(wú)橋PFC IC控制器?？刂破鲗Τ跫壍拈_(kāi)關(guān)S進(jìn)行調制，強制輸入線(xiàn)路電流與輸入線(xiàn)路電壓成正比，從而提供理想的整功率因數。

　　數字控制PFC

　　用于電源的低成本、高性能數字控制器的出現使得這類(lèi)控制器開(kāi)始應用于PFC設計。數字控制器可提供可編程配置、非線(xiàn)性控制、低器件數和實(shí)現通常使用模擬方法很難實(shí)現的復雜功能的能力。

　　如今的大多數數字功率控制器（比如TI的UCD3020）都具有集成式功率控制外設和功率管理內核，包括數字環(huán)路補償器、快速模數轉換器（ADC）、帶內置死區時(shí)間的高分辨率數字脈寬調制器（DPWM）、低功耗微控制器等。這些控制器支持無(wú)橋PFC等復雜的高性能電源設計。

　　圖11

　　例如，無(wú)橋PFC可以整合兩個(gè)直流-直流升壓電路：L1、D1、S1和L2、D2、S2（圖11）。D3和D4是慢速恢復二極管。單獨感測以?xún)炔侩娫吹貫榛鶞实木€(xiàn)路和中性點(diǎn)電壓可實(shí)現輸入交流電壓的測量。通過(guò)比較感測的線(xiàn)路和中性信號，固件可以判斷是正半周期還是負半周期。在正半周期時(shí)，第一個(gè)直流-直流升壓電路（L1-S1-D1）是有源電路，升壓電流通過(guò)D4返回至交流中性線(xiàn)。在負半周期時(shí)，L2-S2-D2為有源電路，升壓電路通過(guò) D3返回至交流電源線(xiàn)。

　　與采用相同的功率器件的傳統單相PFC相比，無(wú)橋PFC和單相PFC應具有相同的開(kāi)關(guān)損耗。不過(guò)，無(wú)橋PFC電流僅通過(guò)一個(gè)慢速二極管（正半周期時(shí)為D4，負半周期時(shí)為D3），而不是同時(shí)通過(guò)兩個(gè)二級管。因此，效率的提升依靠的是一個(gè)二極管與兩個(gè)二極管之間的傳導損耗之差。

　　無(wú)橋PFC的效率還可以通過(guò)全面導通不活動(dòng)的開(kāi)關(guān)來(lái)提升。比如，在正周期時(shí)，S2可以全面導通，而S1由PWM信號控制。由于在流動(dòng)的電流低于某個(gè)值時(shí)MOSFET S2上的電壓降可能低于D4，返回電流會(huì )部分或全部流過(guò)L1-D1-RL-S2-L2，然后返回至交流電源。這就降低了傳導損耗，從而提高了電路效率（特別是在輕負載下的電路效率）。同樣，在負周期時(shí)，S1全面導通，而S2則進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制。

　　在相同的交流電壓和直流輸出電壓下，輸出電流與電壓回路輸出成正比。在此基礎上，頻率和輸出電壓可以進(jìn)行相應地調整。固件實(shí)現數字控制器中的電壓回路。由于輸出已知，因此很容易就能以低于模擬方法的成本實(shí)現該功能。