全方位半無(wú)橋式/交錯式PFC

　　為了節省能源，某些公營(yíng)事業(yè)公司及環(huán)保機構研擬出許多方案與獎勵計劃，期望能夠使離線(xiàn)式交流對直流（AC-DC）電源轉換器發(fā)揮更高的效率。為減少電線(xiàn)傳輸的耗損，這些公司和機構都要求離線(xiàn)式轉換器具備功率因數校正（PFC）功能。這些方案包括能源之星（Energy Star）、拯救氣候（Climate Savers），還有其他八十多項與運算電源相關(guān)的計劃。這些計劃在本質(zhì)上相似，均都要求離線(xiàn)式電源轉換器在負載從20%升高到100%時(shí)，發(fā)揮80%以上的效率，同時(shí)要求在滿(mǎn)負載時(shí)，其功率因數要達到0.9以上。

　　為了達到這些功率因數需求，設計人員須導入PFC預整流器（Pre-regulator）。目前已開(kāi)發(fā)出兩項創(chuàng )新的PFC控制拓撲，可提升PFC控制器的效率。第一種拓撲是半無(wú)橋式PFC，可減少一半的橋式整流器耗損；第二種拓撲是交錯式PFC，可減少高達50%的轉換器I2R耗損。這兩項技術(shù)均須使用兩個(gè)升壓功率級來(lái)提升效率，因此，設計人員經(jīng)常要對這兩種拓撲架構進(jìn)行抉擇。為了釐清這個(gè)問(wèn)題，以下將分理論與實(shí)務(wù)兩方面評估，讓電源供應設計人員能根據系統需求選擇最適用的拓撲。

　　半無(wú)橋式PFC效率/電感尺寸難兼得

　　圖1為半無(wú)橋式PFC預整流器的電路拓撲圖。此拓撲須搭配兩個(gè)升壓功率級（Boost1及Boost2）以實(shí)現PFC，升壓電感直接連接到轉換器的輸入。此一拓撲也須採用全波整流器（DA、DB、DC及DD），使一般PFC升壓電容（CBOOST）在最初的通電時(shí)間可達到最高電量。然而，在升壓電容的電量達到最高，轉換器啟動(dòng)運作之后，電源轉換器在每一次二極體橋接器傳導期間，只會(huì )有一個(gè)整流器二極體（DA或DB）處于工作狀態(tài)，不像在全橋式拓撲中，一般會(huì )有兩個(gè)二極體同時(shí)進(jìn)行傳導。這與以?xún)蓚€(gè)橋式整流器二極體進(jìn)行傳導的傳統PFC升壓相當不同。這項創(chuàng )新技術(shù)可免除一個(gè)整流器二極體所產(chǎn)生的傳導損耗而提升效率，進(jìn)而提升整體系統的效率。

　　圖1　半無(wú)橋式PFC預整流器與其電路拓撲

　　半無(wú)橋式PFC雖可提升系統的運作效率，但也有較傳統PFC預整流器更復雜的缺陷，且設計人員必須使用更大的電感元件。如果深入探究傳統PFC升壓預整流器的電感區域乘積（WaAcT）及半無(wú)橋式PFC預整流器的整體電感乘積（WaAcS），即可看出這一點(diǎn)。

　　磁性設計人員透過(guò)以繞組（Winding）區域（Wa）及核心橫截面區域（Ac）為基礎的區域乘積計算來(lái)選取磁性核心。公式1～3計算半無(wú)橋式及傳統PFC預整流器的電感區域總乘積，其中L是PFC升壓電感，IP是峰值PFC輸入電流，ILRMS是均方根（RMS）電流的PFC電感，變數CD表示所設計電感的電流密度，變數ΔB表示電感中磁通量密度（Flux Density）的變化，Ku表示磁性階段繞組效率。

　　從這些區域乘積的等式中，可看出半無(wú)橋式PFC電感乘積的區域總乘積大約比傳統PFC預整流器的區域乘積高出1.414倍。亦即半無(wú)橋式PFC的總磁量比使用單一升壓功率級的傳統PFC預整流器至少高出1.4倍。

　　交錯式PFC具備低EMI/小尺寸優(yōu)勢

　　交錯式PFC預整流器則是將兩個(gè)升壓功率級交錯。這項控制技術(shù)須使兩個(gè)經(jīng)過(guò)功率因素校正的升壓功率級保持180度反相運作。此一拓撲具有多項優(yōu)點(diǎn)，因此受到廣泛運用，其中一項主要的優(yōu)點(diǎn)是可以消除輸入及輸出電感鏈波電流。如果設計得宜，亦有助于降低整體升壓電感及/或電磁波干擾（EMI）磁量。消除輸出電感鏈波電流可減少升壓電容均方根電流，使電容體積縮小25%以上。讀者須特別注意，此處所指的電容體積縮小不是指升壓電容體積可以縮小，因為升壓電容一般是由延遲時(shí)間及輸出功率所決定。圖2為交錯式PFC預整流器示意圖。

　　圖2　交錯式PFC預整流器與其電路拓撲