如何使用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，因此线路整流和 PFC 级本身只能损耗 2%——这对于桥式整流器中的二极管来说是一个挑战。

然而，如果用同步整流器代替升压二极管（D5），则效率会提高。此外，只需要双线整流二极管，这些二极管也可以是同步整流器（Q3、Q4），这进一步提高了效率。这种技术被称为图腾极功率因数校正（TPPFC），有了理想的电感和完美的开关，效率可以接近100%。现代MOSFET具有优异的性能，但即使并联使用，也达不到理想开关的水平。因此，宽带隙半导体开关将与TPPFC拓扑结构齐头并进。

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，开关器件中的动态损耗会产生更大的影响。这些损耗是由于当MOSFET配置为图腾极快速支路的开关时，当其体二极管在开关“死”时间内导通且相关存储电荷必须耗尽时，以及开关输出电容的充放电时，MOSFET反向恢复。

事实上，硅MOSFET的动态损耗可能非常大，因此设计师越来越多地在TPPFC应用中指定WBG半导体材料，如碳化硅和氮化镓器件。它们还具有更高频率的操作和在高温下工作的能力，这是电力应用中两个非常有用的特性。

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不连续导通模式 （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。

其他挑战

解决了效率挑战后，还有最后一个障碍需要克服：要同步驱动四个有源器件，并且必须检测电感器的零电流交叉以强制 CrM。该电路必须能够在需要时自动切换进出 DCM——所有这一切都是在保持高功率因数并生成 PWM 信号以调节输出的同时完成的。除此之外，还需要电路保护（如过流和过压）。

一般来说，考虑到所涉及的复杂性，最好的方法是在微控制器中实现控制算法。然而，这种方法可能很昂贵，并且需要生成和调试代码，这是许多设计人员希望避免的领域。

使用 CrM 的 TPPFC 无代码解决方案

完全集成的 TPPFC 控制解决方案具有许多优势，包括高性能、缩短设计时间和降低设计风险，同时无需实现微控制器和相关代码。

此类集成解决方案之一是 onsemi 的 NCP1680 混合信号 TPPFC 控制器，它以恒定的导通时间 CrM 运行，以确保整个负载范围内的高效率。NCP1680 在轻负载频率折返期间具有“谷底开关”功能，可通过在最低电压下开关来提高效率。数字电压控制环路经过内部补偿，以优化整个负载范围内的性能，同时确保设计过程保持简单。

NCP1680 为无代码 TPPFC 提供了一个简单而优雅的解决方案。

创新的控制器采用小型 SOIC-16 封装，采用专有的低损耗电流检测方法，逐周期限流提供出色的保护水平，无需外部霍尔效应传感器，从而降低复杂性、尺寸和成本。

所有必要的控制算法都嵌入在 IC 中，为设计人员提供了一个低风险、久经考验的解决方案，以具有成本效益的价格提供高性能。

审核编辑：郭婷