100% 高效電源的時代來臨

在1980年代中期，電源行業(yè)開始出現(xiàn)重大變革，離線式電源的設計方式和制造方式方發(fā)生了變化。電源設計人員沒有充分了解到后續(xù)影響，就針對離線開關模式功率轉換推出了功率因數(shù)校正 (PFC)，這些新開發(fā)的PFC前端器件把電源的輸入特性從高度非線性峰值整流變?yōu)榉抡?/FONT>電阻性輸入阻抗，而這種變革 (電源如何看待其輸入源) 的重要意義，對于電網(wǎng)的利用和效率產(chǎn)生了深遠的影響。

隨著家庭和辦公場所需要插入墻壁電源使用的電子設備不斷增加，對電能的的需求也前所未有地龐大。更重要的是，我們的現(xiàn)代科技改變了120V 或 230V AC電網(wǎng)供電的負載特性。雖然白熾燈泡和其它舊式電子設備看起來更像是電阻性負載，但電腦、所有遙控裝置的備用電源，以及電池充電器等新設備給電力公司帶來了一個大問題，而這些新設備已成為我們?nèi)粘Ｉ畈豢苫蛉钡牟糠?。由于這些新設備的尺寸比傳統(tǒng)技術裝置更小，因此都采用開關模式功率轉換器。它們的輸入級為峰值整流器電路，把AC源轉換為DC電壓，并提供能量存儲。峰值整流器只在AC線路電壓在峰值附近時消耗電流。

圖1 采用峰值整流輸入的典型線路電壓和電流波形

結果是輸入電流的導通角很小，而奇數(shù)倍線路頻率的諧波幅度卻很大。采用峰值整流的離線電源的功率因數(shù) (PF) 一般在0.5 到 0.7之間。功率因數(shù)是輸入電源使用效率的一個重要指標，其定義是負載消耗的有功功率 (單位：瓦特) 和視在功率 (單位：伏安VA) 之比，后者是由電廠產(chǎn)生并供給負載的功率。

圖2 有功功率、無功功率和視在功率

一個功率因數(shù)是0.7的負載意味著為了使用100W的有功功率，發(fā)電機必需另外提供100VAR的無功功率。無功功率不但沒有用，而且還給配電網(wǎng)帶來額外的壓力和損耗。低功率因數(shù)會逐步加大對發(fā)電量的需求，這早已是公認的事實，而電力公司也一直致力于解決這一問題。電網(wǎng)中電容性或電感性負載經(jīng)常切入切出，以校正低功率因數(shù)。此外，有些供電商對功率因數(shù)低至0.95以下的用戶征收罰款。

提高PF的另一個實際好處是可以從普通裝置中汲取更多的能量，這是由于功率因數(shù)校正大大降低了輸入電流的RMS值之故。一般采用15A斷路器保護的使用普通120V AC的家庭能夠為經(jīng)功率因數(shù)校正的負載提供1.8kW功率，而在相同供電的情況下，采用峰值整流輸入級的設備根據(jù)不同的負載電流波形和PF，只能提供1.3kW 到 1.5KW的功率。

1980年代中期，在幾項因素的共同推動之下，富有才干的電源工程師著手解決電源本身的功率因數(shù)問題。其中最重要的因素是，眾多采用尺寸更小、效率更高的開關模式電源的應用領域?qū)τ陔娔艿男枨蟊q。這種趨勢主要見于電信和計算行業(yè)，隨之又向工業(yè)、照明以及稍后的消費應用領域迅速蔓延。設備數(shù)量的龐大造成供電方的功率因數(shù)顯著下降，并給電網(wǎng)引入大量3階和7階諧波電流，這些問題都亟待解決。

這一領域的先鋒們利用無源組件構建了首個功率因數(shù)校正電源，以期改進輸入電流波形的特性。然而，相比開關模式功率轉換技術對尺寸的大幅減小，這些無源電路顯得過于笨重，因此業(yè)界有待進一步創(chuàng)新，而開關模式功率因數(shù)校正器也即將問世。

從這一趨勢伊始，升壓轉換器就是常見任務中最流行的轉換器拓撲。升壓拓撲如圖3所示，是一種非常簡單的功率級。它只需要一個電感、一個合適的開關晶體管和一個整流器二極管，很容易安置在整流器橋的輸出與存儲能量的電容之間，現(xiàn)在已為電源所采用，實現(xiàn)只需對現(xiàn)有設計做極少的改動即可。

圖3 帶升壓功率因數(shù)校正器的電源輸入原理簡圖

升壓轉換器之所以在功率因數(shù)校正中占主導地位，是因為它能夠從任何低于它的穩(wěn)定輸出電壓水平的輸入電壓中獲取受控電流。這種特性尤其適合于仿真電阻性輸入阻抗，從而產(chǎn)生理想的整功率因數(shù) (unity power factor)。

為了獲得趨近于一的功率因數(shù)，必須對升壓轉換器進行適當?shù)目刂?。其輸入電流應該完全跟蹤輸入電壓的波形，就好像有一個電阻與干線相連一樣，這時需要一個還沒見于市場上的專用控制器。

和許多新興技術一樣，第一個PFC控制器也是采用分立式組件，一個振蕩器、運算放大器和比較器來實現(xiàn)的。不過，該電路似乎相當復雜，而且也仍舊無法解決最佳控制算法的所有問題。直到1990年首款專用于功率因數(shù)校正應用的集成式PWM控制器UC3854推出，這種控制方面的瓶頸問題才終于得到滿意的解決。UC3854堪稱拼圖的關鍵之片，一舉促使PFC轉換器成為主流。

這種控制器讓升壓轉換器在連續(xù)電流模式(CCM) 下工作，并采用平均電流控制模式來實現(xiàn)輸入電流與輸入電壓波形的一致性。電流環(huán)路的參考數(shù)值可通過瞬時輸入電壓和誤差放大器輸出相乘得到，這確保了轉換器的電阻性輸入阻抗和高功率因數(shù)。為了避免轉換器在高輸入電壓時處理過多的輸出功率，UC3854還具有平方器電路和除法器電路，這種方法可保證電壓環(huán)路增益保持恒定，不受輸入電壓變化的影響。UC3854集成了這些主要功能，再加上常用保護和管理電路，為PFC控制器創(chuàng)建了行業(yè)標準。1990年代后期，數(shù)種類似的控制器被推向市場，它們對UC3854的基本控制算法做了少許改進和變動。多家供應商提供優(yōu)質(zhì)控制器讓PFC市場繁榮壯大起來。

隨著市場不斷成熟并向眾多應用領域擴展，對更簡單的實現(xiàn)方案的需求日益增長。在UC3854“復制”大戰(zhàn)之后，新的控制技術和新的IC開始出現(xiàn)。低功耗、具成本效益的應用需要不同種類的控制器。為了以低功率水平獲得滿意的效率，升壓轉換器工作在連續(xù)和不連續(xù)電流模式的邊緣，該技術消除了CCM模式中的主要損耗機制，即升壓整流二極管因被迫轉換而產(chǎn)生的反向恢復損耗。全新臨界傳導模式 (boundary conduction mode, BCM) 功率因數(shù)控制IC系列因應電源行業(yè)的新要求而面市。

一般而言，BCM PFC控制器是最基本的8腳器件，往往只能以低成本提供極少的功能性。臨界傳導工作模式只需采用最簡單的控制方法之一“恒定導通時間電壓模式控制”即可運作良好，而這些器件正好利用這一原理，無需額外的電流環(huán)路，甚至也不必對輸入電壓進行頻繁的監(jiān)控。

近來，在提高功率因數(shù)校正器電路的效率方面，業(yè)界取得了顯著成果，給功率級設計帶來了各種變化。PFC領域最引人注目的兩大發(fā)展是采用了交錯式 (interleaving) 方法，以及長久以來頗受關注但極少運用的無橋升壓拓撲。

交錯式技術的工作原理正好說明了它為什么能夠在低壓處理器電源中廣獲運用。而且，它也是一個同樣可用于任何功率轉換任務的普遍原理。交錯技術讓設計人員得以利用更小、更高效的相位相差180度的模塊并聯(lián)工作來獲得更高的功率級。這種技術的好處是消除了升壓電感的紋波電流，使PFC電源中的EMI濾波器更小、更高效，而且由于功耗分散在更多的器件上，因此也更便于進行熱管理。工作溫度的降低還有益于效率的提高，這是因為電源中眾多電阻性組件的溫度系數(shù)為正。無橋升壓功率因數(shù)校正器則通過減少轉換器大電流路徑上的串聯(lián)半導體器件的數(shù)目來解決效率問題。

圖4 頗具潛力的無橋PFC實現(xiàn)方案 (簡化)

傳統(tǒng)上，輸入整流橋中的二極管和升壓功率級的MOSFET開關或整流器二極管在任何時候都是二者共同傳輸電感電流。如圖4所示，顧名思義，無橋PFC中沒有輸入橋。它的功能與升壓電路的開關及整流器功能相結合，在這種解決方案中，大電感電流只流經(jīng)功率因數(shù)校正器的輸入AC源和DC輸出電壓之間的兩個半導體器件。其明顯優(yōu)勢是大電流路徑上的壓降減小， 從而效率得以提高。但由于這樣一來半導體器件會更容易受到工業(yè)和鄉(xiāng)村環(huán)境中常見的有害線路瞬變現(xiàn)象的影響，因此該拓撲也給設計人員帶了一些挑戰(zhàn)。另外，從控制點的角度來看，輸入或輸出電壓的采樣十分棘手，因為在無橋升壓轉換器中，這些電壓不是以相同的接地面為參考的。在這種拓撲的某些變體結構中，升壓開關的柵極驅(qū)動與控制器的輸出信號之間連接時也會遇到類似的困難。在撰寫本文時尚無專用于這種克服上述控制電路障礙之無橋PFC轉換器的控制器。

所有電源工程師都明白，在提高效率方面，控制器能夠做的就只有這么多。最終，轉換器的效率取決于它的功率級設計，尤其是功率組件的特性。今天，PFC擁有5億美元的市場潛力，年增長率預計達16%，超過了總體電源行業(yè)的平均增長率。因此，分立式半導體器件供應商對功率因數(shù)應用中的功率MOSFET及其相配的整流器二極管如此熱衷關注，也是很順理成章的事情。

類似于拓撲和控制器的發(fā)展歷程，目前的解決方案中所用的功率半導體器件也遠比20年前的產(chǎn)品優(yōu)化程度更高。對功率MOSFET技術進行探研，可以發(fā)現(xiàn)這些器件在繼續(xù)發(fā)展，致力于提供更低的RDSON 值和更好的品質(zhì)因數(shù) (Figure of Merit, FOM)。更高的單元密度可降低阻抗，使功率轉換器的效率得以提高。經(jīng)由減小MOSFET的電容，可以獲得更快的開關速度和更低的開關損耗，而進一步的改進則集中在通過增強抗雪崩能力和防止dv/dt寄生感應導通來提高器件可靠性。

高壓功率因數(shù)應用的升壓整流器二極管也在經(jīng)歷相似的進步，設計人員可以在若干高性能超快速二極管系列中選擇，最后使用SiC器件來獲得最佳結果。對于這些器件，正向電壓降和反向恢復特性是需要針對特定應用進行精心優(yōu)化的主要參數(shù)。

自第一個功率因數(shù)校正器面世以來，器件技術和拓撲開發(fā)方面不斷取得進步，使得PFC解決方案的效率穩(wěn)定提高。今天，節(jié)能正在成為全社會的關注焦點，為了減少家庭和辦公環(huán)境的“碳足跡”，采用功率因數(shù)校正技術已勢在必行。先進PFC轉換器的典型效率高達98%以上，可提供接近整功率因數(shù)的PF，消除與配電網(wǎng)和電廠中的諧波電流及無功功率有關的額外損耗。

估算電力網(wǎng)中無功功率的真正成本是相當困難的，但亳無疑問的是，更好的負載功率因數(shù)在很大程度上有助于推動對“更環(huán)?！?、更高效電能使用的追求。在美國，配電系統(tǒng)的效率估計在93%左右。如果我們在功率因數(shù)校正方面的努力能夠減少無功功率，提高電網(wǎng)效率，則有源功率因數(shù)校正的凈影響可視為超過100%的“視在” (apparent) 效率。