在功率因數(shù)校正 (PFC) 預(yù)調(diào)節(jié)器中使用升壓跟隨器的好處

　　傳統(tǒng)上，PFC(功率因數(shù)校正)離線功率轉(zhuǎn)換器的設(shè)計帶有兩個功率級：第一個功率級通常情況下是一個升壓轉(zhuǎn)換器，因為此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中有連續(xù)的輸入電流，可使用乘法器以及平均電流模式控制進(jìn)行改變，以獲得近乎一致的功率因數(shù) (PF)。不過，升壓轉(zhuǎn)換器要求有比輸入更高的輸出電壓，同時要求一個額外的轉(zhuǎn)換器將電壓步降到可用水平(見圖 1)。

　　圖 1 兩功率級轉(zhuǎn)換器的功能結(jié)構(gòu)圖

　　傳統(tǒng)的升壓轉(zhuǎn)換器有一個固定的輸出電壓，比最大的峰值線電壓要高。盡管如此，我們也不必對它進(jìn)行調(diào)節(jié)，因為步降轉(zhuǎn)換器(2 功率級)可對變量進(jìn)行調(diào)節(jié)。只要壓升超過峰值輸入電壓，轉(zhuǎn)換器就會進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)。使用升壓跟隨器對線電壓的變化進(jìn)行跟蹤響應(yīng)有著許多好處，比如縮小的升壓電感器尺寸，以及在峰值線電壓較低時更低的開關(guān)損耗。

　　圖 2 升壓跟隨器和傳統(tǒng) PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器的輸出電壓如何對 Vin(t) 進(jìn)行跟蹤

　　升壓電感 (L)

　　對升壓電感的選擇是根據(jù)最低峰值線電壓為 (Vin(min) 、占空比 (D) 為最大時所允許的最大紋波電流 (ΔI) 而定的。以下方程用于計算每一類(傳統(tǒng)或跟隨器型)預(yù)調(diào)節(jié)器功率級中的電感。ΔI 為峰值輸入電流的 20%[5];Pout 為最大輸出功率;而 Vout (min) 則為最小升壓輸出電壓。這些方程表明，在輸入電壓范圍較大時，升壓跟隨器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的電感會小很多。

　　例如，若要在具有 85V～265V 寬泛輸入范圍的 250W 應(yīng)用中，跟蹤輸入電壓的輸出電壓范圍為 206V～390V 時，使用上述的方程對升壓跟隨器拓?fù)涞碾姼羞M(jìn)行計算，將需要 570 μH 的電感。同樣的條件下，對傳統(tǒng)的 390V 固定直流輸出拓?fù)涠裕瑒t需要 1mH 的電感。

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　　升壓開關(guān)損耗

　　以下方程計算了升壓 FET 中的功率損耗 (PQ1) [3][5]，并表明相對于傳統(tǒng) PFC 而言，當(dāng)線電壓較低時，寄生 FET 的電容損耗 (PCOSS) 以及 FET 的轉(zhuǎn)換損耗 (PFET_TR) 在升壓跟隨器 PFC 中會小很多。這是因為線電壓較低時輸出電壓 (Vout(min)) 在升壓跟隨器 PFC 中會小很多，從而減少了整體的開關(guān)損耗。

　　例如，一款 IRFP450 HEXFET(同樣的條件應(yīng)用于升壓電感)的功率損耗在升壓跟隨器中為 11.5W，而在傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)器中的功率損耗則為 19.5W，也就是說在線電壓較低時，升壓跟隨器的效率高出大約 3%。

　　圖 3 升壓跟隨器型 PFC 與傳統(tǒng) PFC 的實驗室結(jié)果比較

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　　升壓 FET 散熱片尺寸的縮小

　　升壓 FET 散熱片尺寸的計算在輸入電壓最低時進(jìn)行，因為此時 FET 功率損耗最高。以下方程可用于計算傳統(tǒng)或跟隨器型要求的散熱片 (Rθsa) 的最小熱阻。其中，Tjmax 為最高的結(jié)溫，Tamb 為最高的環(huán)境溫度，Rθjc 為半導(dǎo)體接面至外殼的熱阻，而 Rθsc 則為散熱片到外殼的熱阻抗。

　　通過該方程我們可以看到，由于 FET 功率損耗 (P_semi) 減少并且熱阻抗上升，因此要求的散熱片尺寸縮小——這是升壓跟隨器相對傳統(tǒng)拓?fù)涞挠忠缓锰帯Ｍㄟ^升壓開關(guān)損耗部分已計算得出的功率損耗，我們可以選擇升壓跟隨器和傳統(tǒng) PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器的散熱片，以更明顯地看到升壓跟隨器的這一優(yōu)點。對傳統(tǒng)拓?fù)浠蚋S器型拓?fù)涞脑O(shè)計要求是 Tjmax 不能超過 FET 最大額定溫度的 75%，而 Tamb 則通過線性速度為 150 英尺/分的風(fēng)扇維持在 40