在功率因數(shù)校正 (PFC) 預(yù)調(diào)節(jié)器中使用升壓跟隨器的好處
傳統(tǒng)上,PFC(功率因數(shù)校正)離線功率轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)帶有兩個功率級:第一個功率級通常情況下是一個升壓轉(zhuǎn)換器,因?yàn)榇送負(fù)浣Y(jié)構(gòu)中有連續(xù)的輸入電流,可使用乘法器以及平均電流模式控制進(jìn)行改變,以獲得近乎一致的功率因數(shù) (PF)。不過,升壓轉(zhuǎn)換器要求有比輸入更高的輸出電壓,同時要求一個額外的轉(zhuǎn)換器將電壓步降到可用水平(見圖 1)。
圖 1 兩功率級轉(zhuǎn)換器的功能結(jié)構(gòu)圖
傳統(tǒng)的升壓轉(zhuǎn)換器有一個固定的輸出電壓,比最大的峰值線電壓要高。盡管如此,我們也不必對它進(jìn)行調(diào)節(jié),因?yàn)椴浇缔D(zhuǎn)換器(2 功率級)可對變量進(jìn)行調(diào)節(jié)。只要壓升超過峰值輸入電壓,轉(zhuǎn)換器就會進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)。使用升壓跟隨器對線電壓的變化進(jìn)行跟蹤響應(yīng)有著許多好處,比如縮小的升壓電感器尺寸,以及在峰值線電壓較低時更低的開關(guān)損耗。
圖 2 升壓跟隨器和傳統(tǒng) PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器的輸出電壓如何對 Vin(t) 進(jìn)行跟蹤
升壓電感 (L)
對升壓電感的選擇是根據(jù)最低峰值線電壓為 (Vin(min) 、占空比 (D) 為最大時所允許的最大紋波電流 (ΔI) 而定的。以下方程用于計(jì)算每一類(傳統(tǒng)或跟隨器型)預(yù)調(diào)節(jié)器功率級中的電感。ΔI 為峰值輸入電流的 20%[5];Pout 為最大輸出功率;而 Vout (min) 則為最小升壓輸出電壓。這些方程表明,在輸入電壓范圍較大時,升壓跟隨器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的電感會小很多。
例如,若要在具有 85V~265V 寬泛輸入范圍的 250W 應(yīng)用中,跟蹤輸入電壓的輸出電壓范圍為 206V~390V 時,使用上述的方程對升壓跟隨器拓?fù)涞碾姼羞M(jìn)行計(jì)算,將需要 570 μH 的電感。同樣的條件下,對傳統(tǒng)的 390V 固定直流輸出拓?fù)涠?,則需要 1mH 的電感。
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升壓開關(guān)損耗
以下方程計(jì)算了升壓 FET 中的功率損耗 (PQ1) [3][5],并表明相對于傳統(tǒng) PFC 而言,當(dāng)線電壓較低時,寄生 FET 的電容損耗 (PCOSS) 以及 FET 的轉(zhuǎn)換損耗 (PFET_TR) 在升壓跟隨器 PFC 中會小很多。這是因?yàn)榫€電壓較低時輸出電壓 (Vout(min)) 在升壓跟隨器 PFC 中會小很多,從而減少了整體的開關(guān)損耗。
例如,一款 IRFP450 HEXFET(同樣的條件應(yīng)用于升壓電感)的功率損耗在升壓跟隨器中為 11.5W,而在傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)器中的功率損耗則為 19.5W,也就是說在線電壓較低時,升壓跟隨器的效率高出大約 3%。
圖 3 升壓跟隨器型 PFC 與傳統(tǒng) PFC 的實(shí)驗(yàn)室結(jié)果比較
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升壓 FET 散熱片尺寸的縮小
升壓 FET 散熱片尺寸的計(jì)算在輸入電壓最低時進(jìn)行,因?yàn)榇藭r FET 功率損耗最高。以下方程可用于計(jì)算傳統(tǒng)或跟隨器型要求的散熱片 (Rθsa) 的最小熱阻。其中,Tjmax 為最高的結(jié)溫,Tamb 為最高的環(huán)境溫度,Rθjc 為半導(dǎo)體接面至外殼的熱阻,而 Rθsc 則為散熱片到外殼的熱阻抗。
通過該方程我們可以看到,由于 FET 功率損耗 (P_semi) 減少并且熱阻抗上升,因此要求的散熱片尺寸縮小——這是升壓跟隨器相對傳統(tǒng)拓?fù)涞挠忠缓锰?。通過升壓開關(guān)損耗部分已計(jì)算得出的功率損耗,我們可以選擇升壓跟隨器和傳統(tǒng) PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器的散熱片,以更明顯地看到升壓跟隨器的這一優(yōu)點(diǎn)。對傳統(tǒng)拓?fù)浠蚋S器型拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)要求是 Tjmax 不能超過 FET 最大額定溫度的 75%,而 Tamb 則通過線性速度為 150 英尺/分的風(fēng)扇維持在 40
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