如何用無(wú)橋圖騰柱功率因數(shù)校正控制器實(shí)現(xiàn)出色的AC-DC功率轉(zhuǎn)換效率

電網(wǎng)提供的電能是交流電，但我們使用的大多數(shù)設(shè)備都需要直流電，這意味著進(jìn)行這種轉(zhuǎn)換的交流/ 直流電源是能源網(wǎng)上最常見(jiàn)的負(fù)載之一。隨著世界關(guān)注能效以保護(hù)環(huán)境并管理運(yùn)營(yíng)成本，這些電源的高效運(yùn)行變得越來(lái)越重要。

效率作為輸入功率與供給負(fù)載的功率之間的比率衡量，很容易理解。但是，輸入功率因數(shù)也有很大的影響。功率因數(shù)(PF) 描述了任何交流電設(shè)備（包括電源）消耗的有用（真實(shí)）功率與總（視在）功率(kVA) 之間的比值。PF 衡量消耗的電能轉(zhuǎn)換為有用功輸出的有效性。

如果負(fù)載是純阻性負(fù)載，PF 將等于1，但任何負(fù)載內(nèi)的無(wú)功元件都會(huì)降低PF，使視在功率大于有用功率，從而導(dǎo)致效率降低。PF 小于1 是由電壓和電流相位不同引起的——這在感性負(fù)載中很常見(jiàn)。它也可能是由于諧波含量高或電流波形失真，這在開(kāi)關(guān)型電源 (SMPS)或其他類(lèi)型的不連續(xù)電子負(fù)載中很常見(jiàn)。

校正PF

許多不帶PF 校正的SMPS（開(kāi)關(guān)電源，Switching Mode Power Supply）比經(jīng)過(guò)校正的SMPS 消耗的電流更高，因此在功率水平高于70 W 的條件下，立法要求設(shè)計(jì)人員添加電路將PF 值校正為接近1。最常見(jiàn)的有源PF 校正(PFC) 技術(shù)使用升壓轉(zhuǎn)換器將整流電源轉(zhuǎn)換為直流高電平，然后使用脈寬調(diào)制(PWM) 來(lái)調(diào)節(jié)直流電平。

圖1 傳統(tǒng)（左）和（右）無(wú)橋圖騰柱PFC電路

雖然這項(xiàng)技術(shù)效果很好且易于實(shí)施，但也存在一些挑戰(zhàn)?，F(xiàn)代效率標(biāo)準(zhǔn)（如嚴(yán)格的“80+ 鈦金標(biāo)準(zhǔn)”）要求在整個(gè)寬功率范圍內(nèi)具有高效率，在50% 負(fù)載條件下的峰值效率需達(dá)到96%。由于PFC（Power Factor Correction，功率因數(shù)校正）級(jí)之后的DC-DC（直流-直流）轉(zhuǎn)換器通常具有2% 的損耗，線(xiàn)性整流和PFC級(jí)本身只能損耗2%——這對(duì)橋式整流器中的二極管來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn)。

然而，如果將升壓二極管(D5) 替換為同步整流器，效率則會(huì)提高。此外，只需要兩個(gè)線(xiàn)性整流二極管，也可以采用同步整流器（Q3 和Q4），進(jìn)一步提高效率。這種技術(shù)被稱(chēng)為圖騰柱PFC(TPPFC)，借助理想電感和出色開(kāi)關(guān)，效率可以接近100%?，F(xiàn)代MOSFET（金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）具有出色的性能，但尚未達(dá)到理想開(kāi)關(guān)的水平——即使并聯(lián)使用時(shí)也很難達(dá)到。因此，寬帶隙半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)將與圖騰柱PFC 拓?fù)鋽y手并進(jìn)。

應(yīng)對(duì)損耗

隨著開(kāi)關(guān)頻率不斷提高的發(fā)展趨勢(shì)，開(kāi)關(guān)器件中的動(dòng)態(tài)損耗會(huì)產(chǎn)生更大的影響。這些損耗是MOSFET 被配置為圖騰柱高速開(kāi)關(guān)橋臂時(shí)的反向恢復(fù)所致，當(dāng)其體二極管在開(kāi)關(guān)“死區(qū)”時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通時(shí)，必須耗盡相關(guān)的存儲(chǔ)電荷，損耗也來(lái)自于開(kāi)關(guān)輸出電容的充電和放電。

事實(shí)上，硅基MOSFET 的動(dòng)態(tài)損耗可能相當(dāng)大，因此，設(shè)計(jì)人員越來(lái)越多地在TPPFC 應(yīng)用中指定使用寬帶隙半導(dǎo)體材料，例如碳化硅(SiC) 和氮化鎵(GaN)器件。這些器件的附加優(yōu)勢(shì)是更高工作頻率和高溫工作能力——這兩個(gè)特性在電源應(yīng)用中非常有用。

臨界導(dǎo)通模式(CrM) 通常是TPPFC 的首選導(dǎo)通模式，尤其是在功率高達(dá)幾百瓦時(shí)，該模式提供了效率和EMI 性能之間的良好折衷。連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM) 可進(jìn)一步降低開(kāi)關(guān)中的RMS 電流和導(dǎo)通損耗，使TPPFC 能夠適用于千瓦級(jí)額定功率的應(yīng)用。

即便使用CrM，效率在輕負(fù)載條件下也會(huì)明顯下降（可達(dá)10%），這在我們?cè)噲D滿(mǎn)足待機(jī)或空載能耗限制時(shí)帶來(lái)了真正的挑戰(zhàn)。一種解決方案是箝位或“折返”最大允許頻率，從而在輕負(fù)載條件下強(qiáng)制電路進(jìn)入DCM，該模式下的較高峰值電流仍低于同等CrM 實(shí)現(xiàn)中的峰值電流。

將TPPFC 與CrM 工作和頻率箝位相結(jié)合，可提供一個(gè)良好的中等功率解決方案，在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)提供出色的效率，尤其是當(dāng)WBG（寬禁帶）開(kāi)關(guān)用于高頻橋臂時(shí)。

圖2 NCP1680 提供了簡(jiǎn)單而精巧的無(wú)代碼 TPPFC 解決方案

其他挑戰(zhàn)

解決了效率挑戰(zhàn)后，還需要克服最后一個(gè)障礙。需要同步驅(qū)動(dòng)四個(gè)有源器件，并且必須檢測(cè)電感的零電流交越以強(qiáng)制CrM。該電路必須能夠在需要時(shí)自動(dòng)切換進(jìn)入和退出DCM，而且在完成所有這些操作的同時(shí)，保持高功率因數(shù)并生成一個(gè)PWM 信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)輸出。除此之外，還要求提供電路保護(hù)（例如過(guò)電流和過(guò)壓）。

一般來(lái)說(shuō)，鑒于所涉及的復(fù)雜性，最佳方法是在微控制器中實(shí)現(xiàn)控制算法。然而，這種方法可能很昂貴，而且需要生成并調(diào)試代碼，這是許多設(shè)計(jì)人員希望避免的領(lǐng)域。

采用CrM的TPPFC無(wú)代碼解決方案

完全集成的TPPFC 控制解決方案具有許多優(yōu)勢(shì)，包括能夠提高性能水平、縮短設(shè)計(jì)時(shí)間和降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)無(wú)需采用微控制器和相關(guān)代碼。

安森美提供的混合信號(hào)TPPFC 控制器NCP1680 在恒定導(dǎo)通時(shí)間的CrM 下工作，確保在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效率。NCP1680 可在輕負(fù)載條件下提供頻率折返期間的“谷底開(kāi)關(guān)”，通過(guò)在最低電壓下進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作來(lái)提高效率。數(shù)字電壓控制環(huán)路經(jīng)過(guò)內(nèi)部補(bǔ)償，可優(yōu)化整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的性能，同時(shí)能夠確保設(shè)計(jì)過(guò)程保持簡(jiǎn)單。

這款創(chuàng)新的控制器采用小型SOIC-16 封裝，利用專(zhuān)有的低損耗方法進(jìn)行電流檢測(cè)和逐周期限流，無(wú)需外部霍爾效應(yīng)傳感器即可提供出色的保護(hù)水平，從而降低復(fù)雜性、尺寸和成本。所有必要的控制算法都嵌入在IC 中，為設(shè)計(jì)人員提供低風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)過(guò)試用和測(cè)試驗(yàn)證的解決方案，在經(jīng)濟(jì)價(jià)位下提供高性能。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年4月期）