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(shè)計方式和制造方式方發(fā)生了變化。電源設(shè)計人員沒有充分了解到后續(xù)影響，就針對離線開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)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(shè)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(shè)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(shè)備給電力公司帶來了一個大問題，而這些新設(shè)備已成為我們?nèi)粘Ｉ畈豢苫蛉钡牟糠帧Ｓ捎谶@些新設(shè)備的尺寸比傳統(tǒng)技術(shù)裝置更小，因此都采用開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換器。它們的輸入級為峰值整流器電路，把AC源轉(zhuǎn)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(jié)果是輸入電流的導(dǎo)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(shè)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(guān)模式電源的應(yīng)用領(lǐng)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(yīng)用領(lǐng)域迅速蔓延。設(shè)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(lǐng)域的先鋒們利用無源組件構(gòu)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(guān)模式功率轉(zhuǎn)換技術(shù)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(guān)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(zhuǎn)換器就是常見任務(wù)中最流行的轉(zhuǎn)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(guān)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(shè)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(zhuǎn)換器之所以在功率因數(shù)校正中占主導(dǎo)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(zhuǎn)換器進行適當?shù)目刂啤Ｆ漭斎腚娏鲬?yīng)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(shù)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(fù)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(yīng)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(guān)鍵之片，一舉促使PFC轉(zhuǎn)換器成為主流。

這種控制器讓升壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的電阻性輸入阻抗和高功率因數(shù)。為了避免轉(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域擴展，對更簡單的實現(xiàn)方案的需求日益增長。在UC3854“復(fù)制”大戰(zhàn)之后，新的控制技術(shù)和新的IC開始出現(xiàn)。低功耗、具成本效益的應(yīng)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(zhuǎn)換器工作在連續(xù)和不連續(xù)電流模式的邊緣，該技術(shù)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(zhuǎn)換而產(chǎn)生的反向恢復(fù)損耗。全新臨界傳導(dǎo)模式 (boundary conduction mode, BCM) 功率因數(shù)控制IC系列因應(yīng)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(dǎo)工作模式只需采用最簡單的控制方法之一“恒定導(dǎo)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(shè)計帶來了各種變化。PFC領(lǐng)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(guān)注但極少運用的無橋升壓拓撲。

交錯式技術(shù)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(zhuǎn)換任務(wù)的普遍原理。交錯技術(shù)讓設(shè)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(shù)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(zhuǎn)換器大電流路徑上的串聯(lián)半導(dǎo)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(guān)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(guān)及整流器功能相結(jié)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(dǎo)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(dǎo)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(shè)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)中，升壓開關(guān)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的效率取決于它的功率級設(shè)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(yù)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(dǎo)體器件供應(yīng)商對功率因數(shù)應(yīng)用中的功率MOSFET及其相配的整流器二極管如此熱衷關(guān)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(dǎo)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(shù)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(zhuǎn)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(guān)速度和更低的開關(guān)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(yīng)導(dǎo)通來提高器件可靠性。

高壓功率因數(shù)應(yīng)用的升壓整流器二極管也在經(jīng)歷相似的進步，設(shè)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(jié)果。對于這些器件，正向電壓降和反向恢復(fù)特性是需要針對特定應(yīng)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(shù)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(guān)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(shù)已勢在必行。先進PFC轉(zhuǎn)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(guān)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)保”、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。