圖騰柱功率因數(shù)校正技術提升電源轉(zhuǎn)換效率和功率密度

目前市面上的各種電器大多需要進行AC-DC電源轉(zhuǎn)換，因此若能提升AC-DC電源轉(zhuǎn)換效率，將有助于降低家庭的電力消耗與企業(yè)的運營成本，也有利于提升像是儲能系統(tǒng)、電池充電等應用的運作效率。本文將為您介紹功率因數(shù)校正技術的特性，以及由安森美（onsemi）推出的NCP1681 PFC控制器的產(chǎn)品特性與優(yōu)勢。

功率因數(shù)校正技術改善AC-DC電源轉(zhuǎn)換效率

世界上的大部分電能都提供給幾乎所有主電源供電設備和設備中的AC-DC電源，這意味著它們的效率對運營成本有巨大影響，較低的轉(zhuǎn)換效率將顯著增加碳排放。在電源應用中，幾乎所有AC-DC電源中的輸入橋式整流器都會產(chǎn)生損耗，這對實現(xiàn)盡可能高的效率數(shù)字提出了挑戰(zhàn)。然而，移除傳統(tǒng)二極管橋、PFC FET和升壓二極管，以支持無橋圖騰柱PFC布置，將可通過使用有源開關提高效率。不過，新拓撲的控制將更為復雜，通常需要微控制器和相關代碼，這給時間有限的設計團隊帶來了采用障礙。

雖然效率是一個相對簡單的概念，代表著有用輸出功率與輸入功率之比，因此輸入功率會受到輸入功率因數(shù)的顯著影響，輸入功率因數(shù)會隨著線路電流和線路電壓異相移動而增加。產(chǎn)品中的輸入功率和功率因數(shù)的乘積是視在功率，用它來計算真實效率，會導致整體效率數(shù)字顯著降低，如此產(chǎn)生的干擾和低效率，將會通過公用事業(yè)網(wǎng)絡傳播回來。

但是，使用功率因數(shù)校正（PFC）技術便可以解決這種情況，這個概念非常重要，現(xiàn)在已成為監(jiān)管要求。從技術角度來看，為了提高功率因數(shù)，IEC 61000?3?2等EMC標準，限制了由于線路電流失真而存在的線路諧波中的功率。

此外，過去主要考慮效率的峰值，這掩蓋了性能不佳的情況，尤其是當系統(tǒng)在低功率水平下運行時。為解決這個問題，80+認證計劃等新方案要求在20%、50%和100%滿載時效率達到80%。80+標準中最嚴格的版本是“80+ Titanium標準”，它規(guī)定在10%負載時效率至少為90%，在滿負載時效率至少為94%。

滿足“80+ Titanium標準”的要求

最常見的方法是PFC使用升壓轉(zhuǎn)換器，從整流電源獲得高于電源電壓峰值的直流電平。這個DC電平通常為395 V，用于設計用于90至264 VAC輸入的電源，然后使用隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換級進行調(diào)節(jié)，以產(chǎn)生電源供應器所需的DC輸出電壓。一個有價值的副產(chǎn)品是線路電流跟隨線路電壓波形將給出（至少在理論上）一致的功率因數(shù)。

上述方法是有效的，PFC可以設計為在連續(xù)、不連續(xù)或臨界導通模式（CCM、DCM、CrM）下運行，這在很大程度上取決于升壓電感器中的能量是否在每個周期內(nèi)完全耗盡。通常，DC-DC級有2%的損耗，線路整流和PFC級則有1%的損耗，盡管在低線路運行期間這更接近2%。由于低壓線路損耗接近4%，因此要滿足最嚴格的80+ Titanium標準水平是一項重大挑戰(zhàn)，該標準要求在230VAC輸入和50%負載下效率高達96%，這是服務器中常用的規(guī)范。

為了解決這個問題，一種稱為無橋“圖騰柱PFC”（TPPFC）的更高效技術已經(jīng)引起了人們的興趣。在這種方法中，有源開關取代了交流線路橋式整流二極管，并吸收了傳統(tǒng)升壓PFC中升壓晶體管和升壓二極管的作用。

借助無損開關、完美的電感器和無二極管壓降，TPPFC電路效率變得非常接近100%。然而，在現(xiàn)實世界中，MOSFET存在傳導和開關損耗。盡管可以使用超低導通電阻器件（甚至并聯(lián)）來最小化傳導損耗，但結果通常會增加高頻開關損耗，這與幾乎所有設計一樣，需要做出權衡。

圖騰柱PFC實現(xiàn)更高的系統(tǒng)效率和功率密度

PCB布局也在電源轉(zhuǎn)換中起著重要作用，磁性組件和電容器通常以高頻開關，導致電壓和電流不連續(xù)且具有尖銳邊緣，通常稱為高dv/dt和di/dt邊緣。由于電源轉(zhuǎn)換器中普遍存在這些尖銳邊緣，PCB布局中的任何寄生電感和電容都會導致噪聲注入各個節(jié)點。這些問題在使用寬帶隙（WBG）器件（例如GaN和SiC）的拓撲結構中尤為嚴重。WBG器件通常具有較低的電容，并以更快的速度切換，從而進一步增加了各種邊沿的dv/dt和di/dt。

TPFC電路的拓撲則是由兩個半橋配置組成，其中一個半橋，通常稱為“Fast Leg快臂”開關，以PWM頻率開關，另一個半橋，通常稱為“慢臂Slow Leg”開關，以AC線路頻率開關。快臂開關在經(jīng)典升壓PFC中扮演開關和二極管的角色，即這些開關用于調(diào)節(jié)輸出電壓和整形輸入電流，以提供高功率因數(shù)和低諧波失真。慢臂開關在經(jīng)典升壓PFC中扮演二極管電橋的角色，使用具有低導通電阻的有源開關代替二極管，從而提高了效率。

此外，TPFC在傳導路徑中僅使用一個慢臂和一個快臂器件運行，而傳統(tǒng)升壓PFC在傳導路徑中使用兩個橋式二極管和一個有源開關或升壓二極管運行，傳導路徑中更少的器件和有源開關，將取代橋式二極管，使TPFC拓撲能夠?qū)崿F(xiàn)比傳統(tǒng)升壓PFC更高的系統(tǒng)效率和功率密度。

支持連續(xù)傳導與多模式的功率因數(shù)控制器

本文介紹來自安森美的NCP1681 PFC控制器，因為它為圖騰柱PFC提供了無代碼解決方案。安森美的NCP1681 PFC控制器，這是一款支持圖騰柱連續(xù)傳導模式（CCM）與多模式（CrM-CCM）的功率因數(shù)校正控制器，可用于驅(qū)動無橋圖騰柱PFC拓撲。無橋圖騰柱PFC是一種功率因數(shù)校正架構，由以PWM開關頻率驅(qū)動的快速開關支路，和以交流線路頻率運行的第二支路組成。這種拓撲消除了傳統(tǒng)PFC電路輸入端的二極管電橋，從而顯著提高了功率級效率，控制器可配置為在CCM或CrM-CCM下運行。

這款NCP1681采用圖騰柱PFC拓撲可消除輸入二極管電橋，支持高功率級的CCM操作，具備可選的多模式操作，可支持在高功率水平執(zhí)行CCM和在中功率水平執(zhí)行CrM操作，DCM中頻率折返的最小頻率為25 kHz，支持在極輕負載條件下的跳躍模式，采用新型電流檢測方案，可支持數(shù)字電壓環(huán)路補償，以及交流線路監(jiān)控電路和交流相位檢測，所有工作模式下的功率因數(shù)接近一致，具有PFC OK指示燈。

NCP1681適用于300 W至2.5+ kW的大功率轉(zhuǎn)換器，NCP1681需要電感器上斜率和下斜率信息，來實現(xiàn)平均電流模式控制，因此在高頻支路中采用電流互感器。NCP1681板可分為三個部分，包括EMI濾波器、動力傳動和低壓部分，每個部分都有特定的布局和布線需求。

NCP1681可廣泛應用于功率因數(shù)校正、離線電源，常見的終端產(chǎn)品包括服務器電源、電信5G電源、網(wǎng)絡電源、游戲機電源、超高清電視電源、工業(yè)電源等。

結語

TPPFC方法是高效PFC至數(shù)百瓦的首選解決方案，同時確保符合80+ Titanium效率標準和其他待機功耗和空載損耗的環(huán)境要求。更高的效率是每個應用的要求，因此可以從基于CrM的有源PFC中獲得的改進為用戶帶來好處（包括降低運營成本）。安森美提供的WBG半導體、先進的PFC控制器和設計支持工具，將可大大簡化了電源設計任務以提高效率，并確保客戶的產(chǎn)品可以更快地推向市場。