反激式控制器將有源 PFC 功能電路整合在單級(jí)轉(zhuǎn)換器

任何依靠交流電源工作的電源系統(tǒng)都具有一個(gè)相關(guān)的功率因數(shù)，該功率因數(shù)被定義為其從交流電源吸收電流的方式。AC 電力系統(tǒng)的功率因數(shù)被定義為流至負(fù)載的有功功率 (real power) 與視在功率 (apparent power) 的比值，是一個(gè)介于 0 和 1 之間的無(wú)單位數(shù)值。有功功率是電路在特定時(shí)間執(zhí)行任務(wù)的能力。視在功率則是電路的電流與電壓之乘積。由于非線性負(fù)載 (它會(huì)使從電源吸收的電流波形產(chǎn)生失真) 的原因，視在功率將大于有功功率。

在一個(gè)電力系統(tǒng)中，與一個(gè)具有高功率因數(shù)的負(fù)載相比，在所傳輸?shù)挠杏霉β氏嗤那闆r下，一個(gè)具有低功率因數(shù)的負(fù)載吸收更大的電流。因?yàn)樗璧碾娏鬏^高，所以在配電系統(tǒng)中損失的能量也增加了，這反過(guò)來(lái)又需要更粗的導(dǎo)線和其他傳輸設(shè)備。較大的設(shè)備和能源浪費(fèi)增加了成本，所以電力公司往往對(duì)功率因數(shù)較低的客戶收取較高的費(fèi)用。

此外，電源的功率因數(shù)還會(huì)對(duì) AC-DC 電源產(chǎn)生在交流電源上的諧波造成影響，因此，為不帶功率因數(shù)校正功能的 AC-DC 電源之負(fù)載配電時(shí)，電力公司面臨重大難題。此類電源是非線性負(fù)載，它們：
•會(huì)使 AC 波形失真
•會(huì)引起諧波電流，此諧波電流會(huì)影響同一根電力線上其他設(shè)備的操作
•會(huì)由于中線過(guò)熱而引發(fā)火災(zāi)
•會(huì)導(dǎo)致電源變壓器承受過(guò)大的應(yīng)力和縮短壽命
•會(huì)導(dǎo)致 AC 電源發(fā)生器過(guò)載

自上世紀(jì) 80 年代起，歐盟決定將解決這些問(wèn)題的重?fù)?dān)交給采用 AC-DC 電源之產(chǎn)品的制造商。從那以后，用于限制相關(guān)產(chǎn)品在電力線頻率的諧波 (整數(shù)倍) 上可以吸收之電流值的標(biāo)準(zhǔn)幾經(jīng)修改。最終，形成了 IEC61000-3-2市電線路諧波電流輻射標(biāo)準(zhǔn)分類，如表 1 所示。

表 1：IEC 61000-3-2 分類

如圖 1 所示，典型的離線式電源利用一個(gè)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)電容性負(fù)載的二極管電橋給交流電源線加載。該負(fù)載是非線性的 (因?yàn)樗饕o一個(gè)電容器充電)，而且此類負(fù)載只在正弦線路電壓的峰值期間吸收電流，因而產(chǎn)生了會(huì)引起電源線諧波的線路輸入電流峰值。

圖 1：開關(guān)電源輸入電路

功率因數(shù)校正 (PFC)
改善功率因數(shù)的方法之一是采用一個(gè)濾波器。這通常被稱為“無(wú)源 PFC”?？梢栽O(shè)計(jì)一種只傳遞位于市電線路頻率 (例如：50Hz 或 60Hz) 之電流的濾波器。這種濾波器一般用于低功率要求并可減小諧波電流，這意味著非線性器件此時(shí)看似一個(gè)線性負(fù)載，而且能根據(jù)需要采用電容器或電感器以使功率因數(shù)接近 1。不過(guò)，此類濾波器需要采用大數(shù)值的高電流電感器，而這種電感器既笨重又昂貴。

有源 PFC
有源 PFC 是一種用于控制負(fù)載所吸取的無(wú)功功率之的電力電子系統(tǒng)，旨在獲得盡可能接近 1 的功率因數(shù)。在大多數(shù)應(yīng)用中，有源 PFC 負(fù)責(zé)控制負(fù)載的輸入電流，以使電流波形與交流電源電壓波形 (正弦波) 成比例。有源 PFC 功能電路通常包括一個(gè)附加的開關(guān)升壓轉(zhuǎn)換器功率級(jí)，該功率級(jí)需要一個(gè)控制 IC、開關(guān) MOSFET和電源電感器。有源 PFC 使電壓和電流幾乎同相，而且無(wú)功功率損耗接近于零。這就能最高效地將電能從電力公司傳送給用戶。圖 2 示出了未采用 PFC 和采用有源 PFC (1.0) 時(shí)至離線式開關(guān)電源的電流波形。

圖 2：采用和未采用有源 PFC 時(shí)的 AC 電壓和電流波形 (對(duì)于一個(gè)容性負(fù)載)

迄今為止，電源設(shè)計(jì)一直需要采用一個(gè)額外的功率級(jí)以整合 PFC。無(wú)論是有源 PFC 還是無(wú)源 PFC，都需要增設(shè)組件，從而導(dǎo)致成本、電路尺寸和復(fù)雜性的增加。然而，凌力爾特近期宣布推出一款革命性的隔離型反激式控制器，該器件將有源 PFC 功能電路整合在單級(jí)轉(zhuǎn)換器，而無(wú)需額外的組件。

介紹
LT®3798 是一款具單級(jí)有源 PFC 功能且無(wú)需光耦合器的恒定電流 / 恒定電壓隔離型反激式控制器。通過(guò)主動(dòng)調(diào)制輸入電流，能實(shí)現(xiàn)一個(gè)高于 0.97 的功率因數(shù)，從而無(wú)需額外的開關(guān)電源級(jí)和有關(guān)的組件。此外，無(wú)需光耦合器或信號(hào)變壓器實(shí)現(xiàn)反饋，因?yàn)檩敵鲭妷菏菑闹鞫朔醇ば盘?hào)中檢測(cè)的。

基于 LT3798 的設(shè)計(jì)可輕松地滿足大多數(shù)諧波電流輻射規(guī)格的要求。輸出功率值高達(dá) 100W 時(shí)，可實(shí)現(xiàn)高于 86% 的效率。該器件的輸入電壓范圍與外部組件的選擇有關(guān)，而且它能夠在 90VAC 至 307VAC 的輸入電壓范圍內(nèi)運(yùn)作，并可容易地調(diào)節(jié)至較高或較低的輸入電壓。此外，LT3798 還可設(shè)計(jì)到輸入電壓很高的 DC 應(yīng)用中，從而使該器件非常適用于工業(yè)、EV/EHV 汽車、采礦和醫(yī)療應(yīng)用。LT3798 運(yùn)用臨界傳導(dǎo)模式工作，相比連續(xù)傳導(dǎo)模式設(shè)計(jì)，前者可使用更小的變壓器，從而進(jìn)一步減小了解決方案的尺寸。LT3798 采用耐熱性能增強(qiáng)型 16 引腳 MSOP 封裝。

圖 3 示出了 LT3798 的一款典型應(yīng)用電路，該電路可將一個(gè) 90VAC ~ 265VAC 的輸入電壓轉(zhuǎn)換至 24V/1A 輸出。此 IC 為電流模式開關(guān)控制器，專門用于采用一種隔離型反激式拓?fù)鋪?lái)產(chǎn)生一個(gè)恒定電流 / 恒定電壓電源。為了保持輸出電壓調(diào)節(jié)作用，這款設(shè)計(jì)從第二個(gè)主端變壓器繞組來(lái)檢測(cè)輸出電壓。

圖 3：LT3798 用作一款通用輸入 24W PFC 總線轉(zhuǎn)換器

LT3798 免除了增設(shè)一個(gè)光耦合器、光驅(qū)動(dòng)器和副端基準(zhǔn)電壓的需要，同時(shí)保持了主端與副端之間的隔離 (只有一部分必須橫跨隔離勢(shì)壘)。另外，該器件還運(yùn)用了一種主端檢測(cè)方案，此方案能夠通過(guò)反激式主端變壓器繞組來(lái)檢測(cè)輸出電壓。在開關(guān)斷開期間，輸出二極管向輸出端提供電流，而且輸出電壓反射至反激式變壓器的主端。該反射電壓的數(shù)值為輸入電壓與輸出電壓之和，這是 LT3798 能夠重構(gòu)的。

在一個(gè)典型周期中，柵極驅(qū)動(dòng)器接通外部 MOSFET 以使一個(gè)電流流入主端繞組。該電流以一個(gè)與輸入電壓成正比、而與變壓器的磁化電感成反比的速率增加?？刂骗h(huán)路負(fù)責(zé)確定最大電流，而一個(gè)比較器用于在其達(dá)到該電流時(shí)切斷開關(guān)。當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，變壓器中的能量通過(guò)輸出二極管 D4 流出副端繞組 (參閱圖 3)。

LT3798 功率因數(shù)校正
LT3798 的 VIN_SENSE 引腳連接至一個(gè)從電源電壓引出的電阻分壓器。兩個(gè)誤差放大器輸出中靠下的那個(gè)與 VIN_SENSE 引腳電壓相乘。假如 LT3798 采用一個(gè)快速控制環(huán)路進(jìn)行配置，則 VIN_SENSE 引腳電壓變化的減緩將不會(huì)干擾電流限制或輸出電流。COMP+ 引腳電壓將根據(jù) VIN_SENSE 的變化進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)。使乘法器起作用的唯一方法是把控制環(huán)路的操作速度設(shè)定為比 VIN_SENSE 信號(hào)的基礎(chǔ)頻率低一個(gè)數(shù)量級(jí)。在離線操作的情況下，電源電壓的基礎(chǔ)頻率為 120Hz，于是控制環(huán)路單位增益頻率必須設(shè)定為約低于 12Hz。由于在副端上未儲(chǔ)存大量的能量，因此輸出電流將受到電源電壓變化的影響，但輸出電流的 DC 分量將是準(zhǔn)確的。一個(gè)內(nèi)部乘法器通過(guò)使主電源開關(guān)的峰值電流與線路電壓成比例，使得 LT3798 實(shí)現(xiàn)了高功率因數(shù)和低諧波分量。對(duì)于大多數(shù)設(shè)計(jì)，基于 LT3798 的設(shè)計(jì)均能獲得高于 0.97 的功率因數(shù)，并將滿足大部分諧波輻射規(guī)格的要求。

變壓器的設(shè)計(jì)考慮因素
變壓器的規(guī)格與設(shè)計(jì)是成功應(yīng)用 LT3798 的一個(gè)關(guān)鍵性的環(huán)節(jié)。除了應(yīng)對(duì)高頻隔離式電源變壓器設(shè)計(jì)的一系列常見(jiàn)注意事項(xiàng) (例如：低漏電感) 之外，以下信息也是應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎考慮的。由于變壓器副端上的電流是利用主端上的采樣電流推知的，因此必須嚴(yán)格控制變壓器匝數(shù)比以確保提供一個(gè)恒定的輸出電流。變壓器之間的 ±5% 匝數(shù)比容差有可能在輸出調(diào)節(jié)中導(dǎo)致超過(guò) ±5% 的偏差。幸運(yùn)的是，大多數(shù)磁性組件制造商都能夠保證 1% 或更好的匝數(shù)比容差。凌力爾特已與多家主要的磁性組件制造商開展了合作，以生產(chǎn)可與 LT3798 配合使用的預(yù)設(shè)計(jì)型反激式變壓器，LT3798 的產(chǎn)品手冊(cè)中提供了這些變壓器的清單。

結(jié)論
功率因數(shù)的意義在于這樣的事實(shí)：電力公司供應(yīng)給客戶的是伏安，但費(fèi)用卻是以瓦來(lái)收取的。如果功率因數(shù)低于 1.0，那么就要求這些公司生產(chǎn)超過(guò)供應(yīng)有功功率 (瓦) 所需的最小伏安之的電能，因而導(dǎo)致電力生產(chǎn)成本以及將電力傳送給消費(fèi)者的輸電成本有所增加。

LT3798能夠利用整合在單級(jí)反激式轉(zhuǎn)換器中的有源 PFC 功能電路提供離線式隔離型電源轉(zhuǎn)換，而且在此過(guò)程中無(wú)需使用一個(gè)光耦合器來(lái)檢測(cè)輸出電壓，因而是一款革命性的新型器件。這種組合顯著地簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，減小了線路電壓諧波失真和解決方案尺寸，改善了功率因數(shù)，并降低了轉(zhuǎn)換器的成本，可用于眾多的離線式以及高 DC 輸入應(yīng)用。