【導(dǎo)讀】電子設(shè)備越來(lái)越多地接入電網(wǎng)，這增加了電網(wǎng)的失真幾率，也使配電網(wǎng)絡(luò)容易產(chǎn)生問(wèn)題。為緩解這些問(wèn)題，電源設(shè)計(jì)需要先進(jìn)的功率因數(shù)校正 (PFC) 電路來(lái)滿足嚴(yán)格的功率因數(shù) (PF) 標(biāo)準(zhǔn)。
功率因數(shù)校正最常用的拓?fù)涫巧龎?PFC，但寬禁帶 (WBG) 半導(dǎo)體（如 GaN 和 SiC）的出現(xiàn)推動(dòng)了圖騰柱 （totem-pole）PFC 等無(wú)橋拓?fù)涞膶?shí)現(xiàn)，而MPF32010等先進(jìn)的圖騰柱控制器更加簡(jiǎn)化了交錯(cuò)式圖騰柱 PFC 等復(fù)雜設(shè)計(jì)的控制。本文對(duì)三種拓?fù)湓诓煌瑧?yīng)用中的使用情況進(jìn)行了比較，包括交錯(cuò)式升壓PFC、無(wú)橋圖騰柱 PFC 和交錯(cuò)式圖騰柱 PFC。
交錯(cuò)式升壓 PFC
交錯(cuò)式升壓 PFC 是最常見(jiàn)的功率因數(shù)校正拓?fù)洹?這種拓?fù)涑瞬捎谜鞫O管橋?qū)⒔涣麟妷恨D(zhuǎn)換為直流電壓之外，還包含了升壓變換器（參見(jiàn)圖 1）。 升壓變換器將電壓提升至一個(gè)較高的值，這降低了輸出電壓紋波，同時(shí)將電流整形為正弦波。
圖 1：交錯(cuò)式升壓 PFC 原理圖
功率因數(shù)的校正僅通過(guò)一個(gè)升壓變換器即可實(shí)現(xiàn)，但設(shè)計(jì)人員通常會(huì)將相互之間存在相移的兩個(gè)或多個(gè)變換器并聯(lián)連接使用。這種交錯(cuò)連接可以提高效率，同時(shí)降低輸入電流紋波。
無(wú)橋圖騰柱 PFC
將新型半導(dǎo)體材料尤其是碳化硅（SiC）應(yīng)用于功率開(kāi)關(guān)，可以使之前受制于硅的熱特性與電特性而無(wú)法實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)變得可行。其中之一即為無(wú)橋圖騰柱拓?fù)?，該拓?fù)浼闪苏骱蜕龎杭?jí)，并提供兩個(gè)以不同頻率工作的開(kāi)關(guān)支路（見(jiàn)圖 2）。
圖 2：無(wú)橋圖騰柱 PFC 原理圖
第一個(gè)分支稱為慢速分支（SD1 和 SD2），以電網(wǎng)頻率（例如 50Hz至60Hz 之間）換向。 它采用傳統(tǒng)硅開(kāi)關(guān)，主要負(fù)責(zé)對(duì)輸入電壓進(jìn)行整流。第二個(gè)分支稱為快速分支（Q1 和 Q2），主要在提升電壓的同時(shí)對(duì)電流整形，該分支需要以極高的頻率（約 100kHz）進(jìn)行切換。具有較高頻率的高功率切換會(huì)給開(kāi)關(guān)帶來(lái)更大的熱應(yīng)力和電應(yīng)力，變換器需要利用寬禁帶半導(dǎo)體器件（例如 SiC 和 GaN MOSFETS）才能安全高效地工作。
與交錯(cuò)式升壓變換器相比，這種拓?fù)渫ǔＤ芨纳菩阅?。但額外的有源開(kāi)關(guān)使控制電路變得更加復(fù)雜，這個(gè)問(wèn)題通?？梢圆捎眉墒綀D騰柱控制器得到緩解。
交錯(cuò)式圖騰柱 PFC
為了提高無(wú)橋圖騰柱 PFC 的效率，還可以添加額外的高頻分支，創(chuàng)建交錯(cuò)式圖騰柱 PFC。該額外分支可降低變換器的輸出電壓紋波，并將變換器的功率要求平均分配到所有分支，從而最大限度地減小布局尺寸，降低總成本。
圖 3：交錯(cuò)式無(wú)橋圖騰柱 PFC 原理圖
PFC 拓?fù)涞谋容^實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
操作參數(shù)
為了比較不同情況下的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，我們針對(duì)兩個(gè)功率級(jí)別開(kāi)發(fā)了一系列仿真模型。同時(shí)采用相同的系統(tǒng)規(guī)格，以使結(jié)果具有可比性（見(jiàn)表 1）。
表1: 系統(tǒng)規(guī)格
參數(shù)比較
為進(jìn)行拓?fù)浔容^而定義的關(guān)鍵參數(shù)如下所述。
輸入電流紋波(ΔIIN): ΔIIN表示輸入電流的變化量，通過(guò)測(cè)量單個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)輸入電流的最大值與最小值之差獲得。ΔIIN用公式 (1) 來(lái)計(jì)算：
電流總諧波失真(THDI)：在沒(méi)有濾波器的情況下測(cè)量輸入電流中存在的諧波失真可得到 THDI。THDI可以用公式 (2) 估算：
感性能量指數(shù) (IEI) 和容性能量指數(shù) (CEI)：這些指數(shù)提供變換器每單位功率的電感和電容要求信息（請(qǐng)參見(jiàn)公式 3 和 4），它們與組件的最終尺寸和成本密切相關(guān)。IEI 可以用公式 (3) 計(jì)算：
CEI可以用公式 (4) 估算：
總開(kāi)關(guān)功率指數(shù) (TSP)：TSP 比較變換器半導(dǎo)體器件每功率單元（類似于硅等效面積）的電壓和電流應(yīng)力。TSP 與變換器中硅器件的最終成本密切相關(guān)。TSP 可以用公式 (5) 計(jì)算：
Efficiency (?): 效率 (?)：效率用于比較功率因數(shù)校正電路中損失的能量。通過(guò)計(jì)算電路消耗的輸入功率與輸出端可用功率之間的比率（參見(jiàn)公式 5）可以得出效率。它指明了功耗最小的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。效率可以用公式 (6) 估算：
圖騰柱 PFC 與交錯(cuò)式升壓 PFC 的比較結(jié)果
第一項(xiàng)測(cè)試模擬了 300W 應(yīng)用的所有三種拓?fù)?，這種功率級(jí)別通常用于計(jì)算機(jī)電源。第二項(xiàng)測(cè)試模擬了3kW 應(yīng)用下的拓?fù)?，這種高功率級(jí)別通常用于電動(dòng)汽車充電等應(yīng)用。
通過(guò)拓?fù)浔容^可以得出每種拓?fù)涞某Ｒ?jiàn)特性。然而，這些設(shè)計(jì)的性能在很大程度上取決于所選擇的器件及其操作參數(shù)。因此，設(shè)計(jì)人員必須認(rèn)真思考，合理選擇設(shè)計(jì)，并針對(duì)應(yīng)用審慎優(yōu)化。為闡明這一點(diǎn)，我們對(duì)僅考慮器件損耗的功率損耗進(jìn)行分析，類似器件可以用于所有拓?fù)洹?/p>
圖騰柱 PFC 的功耗優(yōu)勢(shì)
拓?fù)浔容^的第一個(gè)關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)是：圖騰柱PFC不包含整流橋，因此減少了開(kāi)關(guān)器件的數(shù)量。升壓變換器中的二極管橋始終導(dǎo)通，因此導(dǎo)通損耗是影響該拓?fù)湫实年P(guān)鍵因素。低功率時(shí)，變換器中的電流相對(duì)較小，因此大部分功耗在開(kāi)關(guān)操作期間產(chǎn)生。這也是升壓和圖騰柱 PFC 拓?fù)湓?300W 應(yīng)用中具有相似效率的原因（參見(jiàn)圖 4）。傳統(tǒng)和交錯(cuò)式圖騰柱設(shè)計(jì)中的損耗差別不大，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們對(duì)交錯(cuò)式升壓變換器和圖騰柱變換器之間的效率進(jìn)行比較。
圖 4：300W 設(shè)計(jì)中的功率損耗
當(dāng)以 3kW 功率運(yùn)行時(shí)，電路中的電流明顯提高，由于整流器二極管中的高等效電阻，升壓拓?fù)渲袝?huì)產(chǎn)生明顯的傳導(dǎo)損耗。因此，在大功率應(yīng)用中，圖騰柱 PFC的效率要高得多（參見(jiàn)圖 5）。
圖5: 3kW設(shè)計(jì)中的功率損耗
交錯(cuò)式升壓和圖騰柱 PFC拓?fù)涞男侍嵘?/p>
升壓和圖騰柱 PFC 拓?fù)浔容^的另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是工作模式的比較。圖騰柱拓?fù)渫ǔ９ぷ饔谶B續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) ，而交錯(cuò)式升壓拓?fù)鋭t工作于臨界導(dǎo)通模式 (CrCM) 。CCM 操作可以顯著降低電感電流紋波和 THDI，而 CrCM 因需要的電感更小而導(dǎo)致更低的感性能量指數(shù) (IEI)（參見(jiàn)圖 6）。
圖6: 輸入電流仿真結(jié)果
然而，THDI增大意味著升壓 PFC 需要一個(gè)較大的輸入濾波器來(lái)滿足電能質(zhì)量要求，這削弱了無(wú)需電感器帶來(lái)的益處，如成本和尺寸的降低。此外，CrCM 中的開(kāi)關(guān)電流遠(yuǎn)大于 CCM 中的電流，這會(huì)增加開(kāi)關(guān)元件的電壓和電流應(yīng)力（參見(jiàn)圖 7）。
圖 7：流經(jīng)電感的電流仿真結(jié)果
并聯(lián)多個(gè)變換器可以將電流應(yīng)力分布在多個(gè)相位上，從而提高性能。就其本身而言，單個(gè)非交錯(cuò)式升壓變換器的效率和性能是無(wú)法與圖騰柱 PFC相比的。但通過(guò)交錯(cuò)連接多個(gè)升壓變換器，性能可以得到明顯提高。因此，交錯(cuò)式升壓拓?fù)涫侵袡n功率應(yīng)用的有效選擇，如上文提到的 300W 示例（參見(jiàn)圖 8）。
然而，在高功率下，交錯(cuò)式升壓變換器的效率卻難以與圖騰柱拓?fù)湎啾葦M。而且，對(duì)3kW 或更高功率的應(yīng)用，即使是圖騰柱變換器也可受益于交錯(cuò)式連接。交錯(cuò)式連接將電流分配到兩個(gè)支路上，從而使每個(gè)支路的電感都減半，這放寬了電源開(kāi)關(guān)要求，同時(shí)也降低了輸入電流紋波。
圖 8：交錯(cuò)式升壓 PFC 中的電感電流
表 2對(duì)三種 PFC 拓?fù)涞牟煌瑓?shù)進(jìn)行了總結(jié)。
表 2：PFC 拓?fù)浔容^仿真結(jié)果
結(jié)論
本文通過(guò)仿真和關(guān)鍵參數(shù)的比較說(shuō)明了交錯(cuò)式升壓、圖騰柱和交錯(cuò)式圖騰柱 PFC 拓?fù)涞闹饕匦裕瑤椭O(shè)計(jì)人員為其應(yīng)用選擇最佳拓?fù)洹?/p>
升壓 PFC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此成為大多數(shù)設(shè)計(jì)人員的首選解決方案。然而，升壓 PFC 在大功率應(yīng)用中的效率較低，因此在這種情況下，盡管圖騰柱 PFC 拓?fù)湓黾恿藦?fù)雜性，但可能更可取。而且，MPF32010等集成式圖騰柱控制器的引入能夠極大地簡(jiǎn)化圖騰柱 PFC 變換器的實(shí)現(xiàn)。
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