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作者：安森美半導體技術(shù)人員Joel Turchi 幾乎每個(gè)人都意識到需要優(yōu)化能效，無(wú)論是力求在高能源價(jià)格時(shí)代限制成本的消費者和企業(yè)運營(yíng)商，還是期望滿(mǎn)足日益復雜的要求和眾多標準的設計人員。如果尚未以浪費能源的高成本為動(dòng)力，那么產(chǎn)生能量對環(huán)境的影響就會(huì )隨著(zhù)熱量的增加而成為越來(lái)越顯著(zhù)的問(wèn)題。 認識到需要改進(jìn)，各國政府和行業(yè)協(xié)會(huì )都制定了書(shū)面標準，在某些情況下必須在產(chǎn)品投放市場(chǎng)前就滿(mǎn)足這些標準。關(guān)注成本或有環(huán)保意識的客戶(hù)在做出購買(mǎi)決定時(shí)依賴(lài)于這些標準，以確信他們在購買(mǎi)高能效的產(chǎn)品。 需要解決的一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域是功率因數校正(PFC)級，包括電磁干擾(EMI)濾波器。 高能效不僅僅在單個(gè)點(diǎn) 對于任何與電源有關(guān)的應用，能效一直是個(gè)問(wèn)題，也是制造商在其規格中規定的一個(gè)參數。然而，在過(guò)去高能效被認為是單個(gè)點(diǎn)盡可能最好的數字，通常在滿(mǎn)載的75%左右。 因此，制造商將注意力集中在這一負載水平，以提高他們所理解的產(chǎn)品能效。但實(shí)際上器件在這個(gè)功率水平上只工作一小部分時(shí)間。在實(shí)際應用中，特別是具有動(dòng)態(tài)負載的應用中，這代表實(shí)際能效遠遠低于預期。 為了解決這種情況，現代能源標準考慮的是整個(gè)能效曲線(xiàn)的性能，而不僅僅是曲線(xiàn)上的最佳點(diǎn)。因此，設計人員正在研究如何設計電源轉換系統的關(guān)鍵器件，以在低負載和中等負載水平下工作得更好。最關(guān)鍵的一個(gè)領(lǐng)域是PFC級和EMI濾波器，二者共消耗高達8%的輸出功率。 PFC概述 電力公司的供電電壓總是正弦的，但線(xiàn)路電流的波形和相位取決于所供電的負載。對于最簡(jiǎn)單的電阻負載，負載電流也是正弦的，并且在相位上使功率易于計算。 如果負載中有電抗元件，如電感或電容器，則負載電流保持正弦，但相移與電壓有關(guān)。在這種情況下，有功功率(也稱(chēng)為“實(shí)際”或“平均”功率)像以前一樣計算，但要乘以相角(位移因子)的余弦。無(wú)功負載越多，有功功率越低。 非線(xiàn)性負載的情況更復雜，例如集成一個(gè)二極管橋和大輸入電容的典型開(kāi)關(guān)電源的輸入級。在這里，電流是一系列浪涌尖峰，計算功率要使用傅里葉變換(Fourier transformation)。 
圖1：無(wú)功負載(左)和非線(xiàn)性負載(右)的電壓(藍色)和電流(紅色) 平均兩個(gè)正弦波的乘積需要復雜的計算，只有當兩個(gè)波形具有相同的頻率時(shí)，才能給出一個(gè)非零的結果。但由此可以得出，只有基本分量才能提供真正的功率，而諧波只產(chǎn)生無(wú)用的循環(huán)電流。 與位移因子類(lèi)似，失真因子模擬失真(非正弦)波形對實(shí)際功率的影響，將實(shí)際功率定義為均方根電壓、均方根電流和這兩個(gè)因子的乘積。進(jìn)一步分析將表明總諧波失真(THD)。 實(shí)際上，系統的功率因數只是位移和失真因子的乘積，因此，真正的功率是均方根電壓、均方根電流和功率因數的乘積。 校正功率因數的實(shí)用方法 涉及PFC的主要標準是EN 61000-3-2 ，這是為了最小化從電網(wǎng)提供的任何電流的THD而編寫(xiě)的，通過(guò)定義從第二次到第四十次的所有諧波的最大幅值來(lái)實(shí)現。PFC的要求也在其他文件中(例如能源之星規范Energy Star)有所提及，許多人認為這導致了PFC技術(shù)普遍用于許多應用。 到目前為止，用于滿(mǎn)足這些標準的最常見(jiàn)和最有效的PFC是有源PFC。一種典型的方法是在輸入整流橋和大電容器之間添加一個(gè)PFC預穩壓器，以提供恒定的電壓，同時(shí)確保電流波形是正弦的。
圖2：PFC在二極管橋和大電容器之間 這種方法除了明顯提高功率因數外，還有許多好處。從PFC階段的輸出通常是一個(gè)相當好調節的400 V，這使得下游轉換器的設計更容易，成本更低。另外，無(wú)脈沖電流降低了EMI濾波要求，減少了體積和成本. 然而，這種類(lèi)型的PFC預轉換器不能達到100%的能效，因此，確實(shí)造成了系統損耗。在任何電源系統中，都有兩種主要類(lèi)型的損耗，開(kāi)關(guān)和導通。導通損耗是兩種損耗之和：一種由于橋二極管的正向電壓等因素與系統功率成正比，另一種與系統功率平方成正比，從而構成阻抗損耗如MOSFET的導通電阻。在較高的功率水平下，后者對能效的影響最大。
圖3：開(kāi)關(guān)和導通損耗構成電源系統的總損耗 另一方面，開(kāi)關(guān)損耗很大部分與電流成正比，因此與傳輸的功率成正比。而其它部分是恒定的，與系統的功率無(wú)關(guān)。它們是由寄生電容和電荷電流引起的，通常與系統的開(kāi)關(guān)頻率成正比。隨著(zhù)設計人員增加工作頻率以減少系統尺寸，開(kāi)關(guān)損耗成為一個(gè)更大的挑戰，特別是在較低的功率水平下，它們在能效損耗中占相當大比例。 PFC控制方案 PFC的各種控制方案都是為了滿(mǎn)足不同系統的需要而開(kāi)發(fā)的，但總目標都是降低輕載下的開(kāi)關(guān)損耗和較重負載下的導通損耗。 如圖所示，有三種基本的控制方案。連續導通模式(CCM)在固定頻率工作和限制電感電流紋波，同時(shí)支持更高損耗。它通常用于較高功率系統(>300 W)。 臨界導通模式(CrM)在電感電流降到零時(shí)開(kāi)始一個(gè)新的開(kāi)關(guān)周期，從而可省去快速恢復二極管。這導致可變開(kāi)關(guān)頻率具有較大紋波電流。這種簡(jiǎn)單而低成本的方案廣泛用于包括照明在內的低功耗應用。隨著(zhù)低導通電阻的MOSFET越來(lái)越普遍，CrM正用于更高功率的應用中。
圖4：初級單路PFC工作模式 頻率鉗位臨界導通模式(FCCrM)是在幾年前由安森美半導體推出的，用以限制CrM下的擴頻。在頻率最高的輕載下，工作模式改為非連續導通模式(DCM)，以降低開(kāi)關(guān)損耗。額外的電路解決了DCM中典型的“死區時(shí)間”，從而確保當前的波形是正確的形狀。 安森美半導體提供廣泛的器件方案，包括功率因數控制器和電源開(kāi)關(guān)，以及重要的設計資源，使設計人員有把握地開(kāi)發(fā)PFC方案。 |
