如何用無橋圖騰柱功率因數校正控制器實現出色的AC-DC功率轉換效率

作者：安森美戰略營銷總監Yong Ang

電網提供的電能是交流電，但我們使用的大多數設備都需要直流電，這意味著進行這種轉換的交流/直流電源是能源網上最常見的負載之一。隨著世界關注能效以保護環境并管理運營成本，這些電源的高效運行變得越來越重要。

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

如果負載是純阻性負載，PF將等于1，但任何負載內的無功元件都會降低PF，使視在功率大于有用功率，從而導致效率降低。

PF小于1是由電壓和電流相位不同引起的——這在感性負載中很常見。它也可能是由于諧波含量高或電流波形失真，這在開關型電源(SMPS)或其他類型的不連續電子負載中很常見。

校正PF

許多不帶PF校正的SMPS比經過校正的SMPS消耗的電流更高，因此在功率水平高于70W的條件下，立法要求設計人員添加電路將PF的值校正為接近1。最常見的有源PF校正(PFC)技術使用升壓轉換器將整流電源轉換為直流高電平，然后使用脈寬調制(PWM)來調節直流電平。

雖然這項技術效果很好且易于實施，但也存在一些挑戰?，F代效率標準(如嚴格的“80+ 鈦金標準”)要求在整個寬功率范圍內具有高效率，在50%負載條件下的峰值效率需達到96%。由于PFC級之后的DC-DC轉換器通常具有2%的損耗，線性整流和PFC級本身只能損耗2%——這對橋式整流器中的二極管來說是一個挑戰。

圖1：傳統(左)和(右)無橋圖騰 PFC電路

然而，如果將升壓二極管(D5)替換為同步整流器，效率則會提高。此外，只需要兩個線性整流二極管，也可以采用同步整流器(Q3和Q4)，進一步提高效率。這種技術被稱為圖騰柱PFC(TPPFC)，借助理想電感和出色開關，效率可以接近100%?，F代MOSFET具有出色的性能，但尚未達到理想開關的水平——即使并聯使用時也很難達到。因此，寬帶隙半導體開關將與圖騰柱PFC拓撲攜手并進。

應對損耗

隨著開關頻率不斷提高的發展趨勢，開關器件中的動態損耗會產生更大的影響。這些損耗是MOSFET被配置為圖騰柱高速開關橋臂時的反向恢復所致，當其體二極管在開關“死區”時間內導通時，必須耗盡相關的存儲電荷，損耗也來自于開關輸出電容的充電和放電。

事實上，硅基MOSFET的動態損耗可能相當大，因此，設計人員越來越多地在TPPFC應用中指定使用寬帶隙半導體材料，例如碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)器件。這些器件的附加優勢是更高工作頻率和高溫工作能力——這兩個特性在電源應用中非常有用。

臨界導通模式(CrM)通常是TPPFC的首選導通模式，尤其是在功率高達幾百瓦時，該模式提供了效率和EMI 性能之間的良好折衷。連續導通模式(CCM)可進一步降低開關中的RMS電流和導通損耗，使TPPFC能夠適用于千瓦級額定功率的應用。

即便使用CrM，效率在輕負載條件下也會明顯下降(可達10%)，這在我們試圖滿足待機或空載能耗限制時帶來了真正的挑戰。一種解決方案是箝位或“折返”最大允許頻率，從而在輕負載條件下強制電路進入DCM，該模式下的較高峰值電流仍低于同等CrM實現中的峰值電流。

將TPPFC與CrM工作和頻率箝位相結合，可提供一個良好的中等功率解決方案，在整個負載范圍內提供出色的效率，尤其是當WBG開關用于高頻橋臂時。

其他挑戰

解決了效率挑戰后，還需要克服最后一個障礙。需要同步驅動四個有源器件，并且必須檢測電感的零電流交越以強制CrM。該電路必須能夠在需要時自動切換進入和退出DCM，而且在完成所有這些操作的同時，保持高功率因數并生成一個PWM信號來調節輸出。除此之外，還要求提供電路保護(例如過電流和過壓)。

一般來說，鑒于所涉及的復雜性，最佳方法是在微控制器中實現控制算法。然而，這種方法可能很昂貴，而且需要生成并調試代碼，這是許多設計人員希望避免的領域。

采用CrM的TPPFC無代碼解決方案

完全集成的TPPFC控制解決方案具有許多優勢，包括能夠提高性能水平、縮短設計時間和降低設計風險，同時無需采用微控制器和相關代碼。

安森美(onsemi)提供的混合信號TPPFC控制器NCP1680就是這樣一種集成解決方案，該控制器在恒定導通時間的CrM下工作，確保在整個負載范圍內實現高效率。NCP1680可在輕負載條件下提供頻率折返期間的“谷底開關”，通過在最低電壓下進行開關操作來提高效率。數字電壓控制環路經過內部補償，可優化整個負載范圍內的性能，同時能夠確保設計過程保持簡單。

圖2：NCP1680提供了簡單而精巧的無代碼TPPFC解決方案

這款創新的控制器采用小型SOIC-16封裝，利用專有的低損耗方法進行電流檢測和逐周期限流，無需外部霍爾效應傳感器即可提供出色的保護水平，從而降低復雜性、尺寸和成本。

所有必要的控制算法都嵌入在IC中，為設計人員提供低風險、經過試用和測試驗證的解決方案，在經濟價位下提供高性能。

審核編輯 黃宇