改善功率因素（PFC）和電源的性能的方法

為了消除給離線(xiàn)功率轉換器添加PFC前端級所產(chǎn)生的損耗，一些設計人員使用了各種各樣的PFC拓撲結構，例如：可降低開(kāi)關(guān)損耗的PFC升壓跟隨器和/或能夠減少傳導損耗的交錯式PFC。降低損耗的另一種方法是，設計一個(gè)使用前沿脈寬調制(PWM)的主級(第1級)和使用傳統后沿調制的次級(第2級)。

1、什么是后沿與前沿脈寬調制

后沿脈寬調制比較器通過(guò)對比鋸齒電壓波形(OSC)和誤差電壓(ERR)來(lái)控制功率轉換器占空比(D)。一般，誤差電壓由一個(gè)反饋運算放大器控制。在后沿脈寬調制中，OSC引腳被饋送給脈寬調制比較器的負輸入，而誤差電壓則饋送至脈寬調制比較器的非反相輸入。脈寬調制比較器的輸出用于控制功率轉換器(QA)的FET柵極。該柵極驅動(dòng)導通信號與OSC信號波谷同步。在這種配置結構中，FET柵極驅動(dòng)的后沿經(jīng)過(guò)調制，以達到功率轉換器占空比 (D)。該后沿為FET關(guān)斷時(shí)(請參見(jiàn)圖 1)。

請注意，在脈寬調制控制器中，在每個(gè)脈寬調制周期之前添加一個(gè)人為停滯時(shí)間，其在每個(gè)脈寬調制周期開(kāi)始以前關(guān)閉功率級開(kāi)關(guān)。必須使用停滯時(shí)間來(lái)防止出現100%占空比，從而防止出現磁飽和。需要注意的是，為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，圖1并未顯示停滯時(shí)間。

前沿調制脈寬調制稍微不同于后沿調制。OSC信號饋送至非反相脈寬調制比較器輸入，而誤差電壓則饋送給反相引腳。FET (QB) 關(guān)閉與OSC峰值電壓和前沿同步，當FET導通時(shí)對前沿進(jìn)行調制以達到占空比(請參見(jiàn)圖 2)。

圖2 后沿與前沿PWM

2、前、后沿調制一起使用的優(yōu)點(diǎn)

首先，我們來(lái)看使用后沿調制控制圖1所示功率級Q1和Q2時(shí)PFC升壓電容器電流(IC)。請注意，我們將PFC控制電壓(ERR1)與振蕩器斜率(OSC)進(jìn)行比較，以控制PFC FET(Q1) 的導通和關(guān)斷時(shí)間。另外，DC/DC轉換器(第2級)控制電壓(ERR2)與振蕩器斜線(xiàn)比較，以控制FET Q2的導通和關(guān)斷時(shí)間。

在振蕩器運行初期正常工作情況下，兩個(gè)FET同時(shí)導通(t1，案例 A)。在這段時(shí)間內，PFC 升壓電容器(CBOOST)必須對進(jìn)入第2個(gè)功率級的所有電流(IT1)提供支持。在這種配置結構中，在FET開(kāi)關(guān)期間，有一段時(shí)間FETQ1導通而Q2為關(guān)斷，這時(shí)PFC升壓電感(L1)通電，而功率級2的初級線(xiàn)圈不要求任何電流。這時(shí)，沒(méi)有電流(IC)進(jìn)入升壓電容器。所有電感電流均流經(jīng)晶體管Q1。

同樣，有一段時(shí)間兩個(gè)FET Q1和Q2均為關(guān)斷。這時(shí)，CBOOST傳導所有升壓電感電流，其流經(jīng)二極管D1(ID1)。請注意，圖3為一張隨意照下來(lái)的圖片。正常工作情況下，第1級的占空比隨線(xiàn)壓而變化，以保持PFC升壓電壓。功率級2的占空比在正常工作時(shí)保持恒定不變，因為輸入/輸出電壓為固定。

其次，我們通過(guò)控制前沿調制控制的FET Q1和后沿調制的FET Q2，研究其對于升壓電容器電流(IC)的影響(圖3“案例B”)。在這種評估過(guò)程中，FET Q1和Q2的導通時(shí)間和占空比與“案例A”情況相同。

在這種配置結構中，FET Q2在振蕩器谷底導通，并根據PWM比較器電壓水平關(guān)斷。FET Q1根據前沿PWM比較器導通，并在振蕩器峰值時(shí)關(guān)斷。相比使用前沿調制的兩個(gè)功率級，利用前沿/后沿PWM調制組合法錯開(kāi)安排FET的首次導通，可以縮短FET Q1和Q2同時(shí)導通的時(shí)間(t1，“案例B”)。 與“案例A”情況類(lèi)似，有一段時(shí)間(t2)Q1導通而Q2關(guān)斷，并且沒(méi)有電流進(jìn)出升壓電容器 (IC)。同樣，有一段時(shí)間(t3，“案例B”)兩個(gè)FET均關(guān)斷，并且需要通過(guò)CBOOST吸收ID1。在“案例B”中，有一段時(shí)間FET Q2導通而Q1關(guān)斷。這時(shí)，進(jìn)入升壓電容器的電流為ID1，其小于IT1(t4，“案例B”)。

相比兩個(gè)功率級都使用后沿調制控制，這種使用前沿/后沿調制控制的方法，可以減少FET QA和QB同時(shí)導通的時(shí)間。它帶來(lái)更低的升壓電容器RMS電流(IC)。 相比控制使用后沿調制的兩個(gè)功率級，這種配置結構中使用的前沿/后沿調制，升壓電容器 (IC) RMS電流減少30%。 升壓電容器中RMS電流的減少，可以降低升壓電容器 ESR 損耗，從而提高整體系統效率。