如何使用无桥图腾柱PFC控制器实现终极AC/DC电源转换效率

电网以交流电的形式提供电能，但我们使用的大多数设备都需要直流电，这意味着进行这种转换的交流/直流电源是电网上最常见的负载之一。随着世界关注能源效率以保护环境和管理运营成本，这些电源的高效运行变得越来越重要。

效率作为输入功率与提供给负载的功率之间的比率的度量是众所周知的。然而，输入功率因数 (PF) 也有很大的影响。PF 描述了任何交流供电设备（包括电源）消耗的有用（真实）功率与总（表观）功率（以千伏安为单位）之间的比率。PF 衡量消耗的电能转换为有用功输出的效率。

如果负载是纯电阻性的，则 PF 将为单位，但负载内的任何无功元件都会降低 PF，使视在功率大于有用功率，从而导致效率降低。

小于 1 的 PF 是由电压和电流异相引起的——这在感性负载中很常见。这也可能是由于高谐波含量或失真的电流波形，这在开关模式电源 (SMPS) 或其他类型的不连续电子负载中很常见。

修正 PF

许多没有功率因数校正 (PFC) 的 SMPS 比校正后的 SMPS 消耗更高的电流，因此在 70 W 以上的功率水平下，立法要求设计人员整合电路以将 PF 校正到接近于 1 的值。有源 PFC 最常见的技术使用升压转换器将整流后的电源转换为高直流电平，然后使用脉宽调制 (PWM) 来调节直流电平。

虽然这项技术运作良好且易于实施，但也存在一些挑战。现代效率标准（例如严格的“80+ 钛标准”）要求在宽功率范围内具有高效率，并且在 50% 负载时峰值效率高达 96%。由于 PFC 级之后的 DC/DC 转换器通常表现出 2% 的损耗，线路整流和 PFC 级本身只能损失 2%——这对桥式整流器中的二极管来说是一个挑战。

但是，如果用同步整流器代替升压二极管（D5），效率会有所提高。此外，只需要两线整流二极管，这些也可以是同步整流器（Q3，Q4），进一步提高了效率。这种技术被称为图腾柱 PFC (TPPFC)，通过理想的电感器和完美的开关，效率可以接近 100%。现代 MOSFET 提供了出色的性能，但没有达到理想开关的水平——即使在并联使用时也是如此。因此，宽带隙 (WBG) 半导体开关将与 TPPFC 拓扑齐头并进。

图 1：传统（左）和（右）无桥 TPPFC 电路

解决损失

随着开关频率越来越高的趋势，开关器件的动态损耗会产生更大的影响。这些损耗是由于 MOSFET 在配置为图腾柱快腿的开关时的反向恢复，当它的体二极管在开关“死区”时间内导通并且相关的存储电荷必须耗尽时，以及来自电荷和开关输出电容的放电。

事实上，硅 MOSFET 的动态损耗可能很大，因此设计人员越来越多地在 TPPFC 应用中指定 WBG 半导体材料，例如碳化硅和氮化镓器件。这些具有更高频率运行和在高温下工作的能力的额外好处——这两个在电源应用中非常有用的特性。

临界传导模式 (CrM) 通常是 TPPFC 的首选传导模式，尤其是高达几百瓦的功率，在效率和电磁干扰性能之间提供了良好的折衷。连续导通模式 (CCM) 进一步降低了开关中的 RMS 电流和导通损耗，使 TPPFC 可用于千瓦级功率应用。

即使使用 CrM，在轻负载时效率也会显着下降（高达 10%），这在尝试满足待机或空载能耗限制时提出了真正的挑战。一种解决方案是钳制或“折回”最大允许频率，从而在轻负载时强制电路进入非连续导通模式 (DCM)，其中较高的峰值电流低于等效 CrM 实现中的峰值电流。

将 TPPFC 与 CrM 操作和频率钳位相结合可提供良好的中等功率解决方案，该解决方案可在整个负载范围内提供良好的效率，尤其是当 WBG 开关用于高频支路时。

　　审核编辑：汤梓红