采用功率因數(shù)校正技術(shù)將功耗降至最低(06-100)

　　隨著家庭和各種工作場(chǎng)所對(duì)消費(fèi)電子和計(jì)算機(jī)用量的增加，功耗成本受到越來(lái)越多的重視。降低用戶設(shè)備功耗的需求正在促使設(shè)備內(nèi)外的電源實(shí)現(xiàn)更高的能效。

　　對(duì)于數(shù)百瓦到千瓦的AC-DC電源，其效率取決于功率因子校正 (PFC)和后級(jí)的DC-DC變換效率。盡管人們今天已經(jīng)能較好地理解DC-DC變換器的成本和性能間的利弊權(quán)衡，但從電路和控制技術(shù)的角度來(lái)講，PFC技術(shù)一直處于落后狀態(tài)。不過(guò)，這種局面最近已經(jīng)開(kāi)始改變。本文將討論該技術(shù)領(lǐng)域的一些發(fā)展，以及電源設(shè)計(jì)工程師如何把握各種設(shè)計(jì)觀點(diǎn)和建議。

　　AC-DC變換器中的損耗

　　AC-DC變換器中的功率損耗一般包括：

　　·升壓二極管中的反向恢復(fù)損耗；

　　·輸入整流橋的損耗；

　　·EMI濾波器中的損耗；

　　·PFC功率開(kāi)關(guān)管的損耗；

　　·電感/扼流線圈損耗。

　　升壓二極管中反向恢復(fù)損耗

　　PFC變換器一般采用兩種控制技術(shù)：連續(xù)電流模式 (CCM) 和邊界模式 (BCM)，后者也稱作變調(diào)模式 (TM) 或臨界模式 (CRM)。在CCM變換器中，控制IC用固定頻率調(diào)整占空比（PWM）來(lái)調(diào)節(jié)升壓電感的平均電流。在BCM變換器中，該電感電流在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通前可以回到零，因而是一個(gè)頻率可變的控制方案。

　　當(dāng)CCM變換器中的MOSFET導(dǎo)通時(shí)，由于仍有電感電流流經(jīng)升壓整流二極管，升壓整流二極管將經(jīng)歷反向恢復(fù)過(guò)程 (二極管內(nèi)的反向電流消失的過(guò)程)。這將在主MOSFET M1中造成功率損耗。在BCM變換器中，電感電流在MOSFET導(dǎo)通時(shí)基本上為零，即實(shí)現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān)功能。因此，采用BCM控制技術(shù)的反向恢復(fù)損耗最小。

　　但采用BCM所得到的好處并非無(wú)代價(jià)的。BCM的峰值電感電流比CCM高出兩倍；較高的峰值電感電流在MOSFET和二極管中會(huì)都造成較大的導(dǎo)通損耗，并在電感中造成更大的功率損耗。因此，BCM模式的變換器局限于輸出功率在250W到300W的應(yīng)用中。

　　此外，二極管技術(shù)的改進(jìn)已提高了CCM模式的 PFC變換器效率。碳化硅 (SiC) 整流二極管已經(jīng)使反向恢復(fù)效應(yīng)大幅降低，這有助于將問(wèn)題解決，但成本較高。超快速硅二極管產(chǎn)品也能降低反向恢復(fù)損耗，但代價(jià)是導(dǎo)通損耗較高。

　　輸入整流橋的損耗

　　AC-DC變換器有用四個(gè)慢速恢復(fù)二極管構(gòu)成的輸入整流橋。這些二極管的功率損耗相當(dāng)可觀。因此，就有了所謂的 “無(wú)橋PFC” 技術(shù)，即將圖1中整流橋的下面兩個(gè)二極管換成兩個(gè)受控驅(qū)動(dòng)的MOSFET作為升壓開(kāi)關(guān) (注意“無(wú)橋”一詞可能用得不當(dāng)，因?yàn)檩斎胝鞫O管仍然存在)。這些橋接二極管起到了升壓二極管AC-DC變換器有用四個(gè)慢速恢復(fù)二極管構(gòu)成的輸入整流橋。這些二極管的功率損耗相當(dāng)可觀。因此，就有了所謂的 “無(wú)橋PFC” 技術(shù)，即將圖1中整流橋的下面兩個(gè)二極管換成兩個(gè)受控驅(qū)動(dòng)的MOSFET作為升壓開(kāi)關(guān) (注意“無(wú)橋”一詞可能用得不當(dāng)，因?yàn)檩斎胝鞫O管仍然存在)。這些橋接二極管起到了升壓二極管的作用，省掉了傳統(tǒng)技術(shù)中的升壓二極管部件。從理論上講，這會(huì)提高效率，因?yàn)殡娏髟谀骋粫r(shí)刻只流經(jīng)兩顆半導(dǎo)體器件，而不是三顆。