【導讀】目前市面上的各種電器大多需要進(jìn)行AC-DC電源轉換，因此若能提升AC-DC電源轉換效率，將有助于降低家庭的電力消耗與企業(yè)的運營(yíng)成本，也有利于提升像是儲能系統、電池充電等應用的運作效率。本文將為您介紹功率因數校正技術(shù)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。
功率因數校正技術(shù)改善AC-DC電源轉換效率
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(zhù)它們的效率對運營(yíng)成本有巨大影響，較低的轉換效率將顯著(zhù)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(huì )產(chǎn)生損耗，這對實(shí)現盡可能高的效率數字提出了挑戰。然而，移除傳統二極管橋、PFC FET和升壓二極管，以支持無(wú)橋圖騰柱PFC布置，將可通過(guò)使用有源開(kāi)關(guān)提高效率。不過(guò)，新拓撲的控制將更為復雜，通常需要微控制器和相關(guān)代碼，這給時(shí)間有限的設計團隊帶來(lái)了采用障礙。
雖然效率是一個(gè)相對簡(jiǎn)單的概念，代表著(zhù)有用輸出功率與輸入功率之比，因此輸入功率會(huì )受到輸入功率因數的顯著(zhù)影響，輸入功率因數會(huì )隨著(zhù)線(xiàn)路電流和線(xiàn)路電壓異相移動(dòng)而增加。產(chǎn)品中的輸入功率和功率因數的乘積是視在功率，用它來(lái)計算真實(shí)效率，會(huì )導致整體效率數字顯著(zhù)降低，如此產(chǎn)生的干擾和低效率，將會(huì )通過(guò)公用事業(yè)網(wǎng)絡(luò )傳播回來(lái)。
但是，使用功率因數校正（PFC）技術(shù)便可以解決這種情況，這個(gè)概念非常重要，現在已成為監管要求。從技術(shù)角度來(lái)看，為了提高功率因數，IEC 61000?3?2等EMC標準，限制了由于線(xiàn)路電流失真而存在的線(xiàn)路諧波中的功率。
此外，過(guò)去主要考慮效率的峰值，這掩蓋了性能不佳的情況，尤其是當系統在低功率水平下運行時(shí)。為解決這個(gè)問(wèn)題，80+認證計劃等新方案要求在20%、50%和100%滿(mǎn)載時(shí)效率達到80%。80+標準中最嚴格的版本是“80+ Titanium標準”，它規定在10%負載時(shí)效率至少為90%，在滿(mǎn)負載時(shí)效率至少為94%。
滿(mǎn)足“80+ Titanium標準”的要求
最常見(jiàn)的方法是PFC使用升壓轉換器，從整流電源獲得高于電源電壓峰值的直流電平。這個(gè)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轉換級進(jìn)行調節，以產(chǎn)生電源供應器所需的DC輸出電壓。一個(gè)有價(jià)值的副產(chǎn)品是線(xiàn)路電流跟隨線(xiàn)路電壓波形將給出（至少在理論上）一致的功率因數。
上述方法是有效的，PFC可以設計為在連續、不連續或臨界導通模式（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(gè)周期內完全耗盡。通常，DC-DC級有2%的損耗，線(xiàn)路整流和PFC級則有1%的損耗，盡管在低線(xiàn)路運行期間這更接近2%。由于低壓線(xiàn)路損耗接近4%，因此要滿(mǎn)足最嚴格的80+ Titanium標準水平是一項重大挑戰，該標準要求在230VAC輸入和50%負載下效率高達96%，這是服務(wù)器中常用的規范。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，一種稱(chēng)為無(wú)橋“圖騰柱PFC”（TPPFC）的更高效技術(shù)已經(jīng)引起了人們的興趣。在這種方法中，有源開(kāi)關(guān)取代了交流線(xiàn)路橋式整流二極管，并吸收了傳統升壓PFC中升壓晶體管和升壓二極管的作用。
借助無(wú)損開(kāi)關(guān)、完美的電感器和無(wú)二極管壓降，TPPFC電路效率變得非常接近100%。然而，在現實(shí)世界中，MOSFET存在傳導和開(kāi)關(guān)損耗。盡管可以使用超低導通電阻器件（甚至并聯(lián)）來(lái)最小化傳導損耗，但結果通常會(huì )增加高頻開(kāi)關(guān)損耗，這與幾乎所有設計一樣，需要做出權衡。
圖騰柱PFC實(shí)現更高的系統效率和功率密度
PCB布局也在電源轉換中起著(zhù)重要作用，磁性組件和電容器通常以高頻開(kāi)關(guān)，導致電壓和電流不連續且具有尖銳邊緣，通常稱(chēng)為高dv/dt和di/dt邊緣。由于電源轉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(huì )導致噪聲注入各個(gè)節點(diǎn)。這些問(wèn)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(jìn)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(gè)半橋配置組成，其中一個(gè)半橋，通常稱(chēng)為“Fast Leg快臂”開(kāi)關(guān)，以PWM頻率開(kāi)關(guān)，另一個(gè)半橋，通常稱(chēng)為“慢臂Slow Leg”開(kāi)關(guān)，以AC線(xiàn)路頻率開(kāi)關(guān)?？毂坶_(kāi)關(guān)在經(jīng)典升壓PFC中扮演開(kāi)關(guān)和二極管的角色，即這些開(kāi)關(guān)用于調節輸出電壓和整形輸入電流，以提供高功率因數和低諧波失真。慢臂開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)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(gè)慢臂和一個(gè)快臂器件運行，而傳統升壓PFC在傳導路徑中使用兩個(gè)橋式二極管和一個(gè)有源開(kāi)關(guān)或升壓二極管運行，傳導路徑中更少的器件和有源開(kāi)關(guān)，將取代橋式二極管，使TPFC拓撲能夠實(shí)現比傳統升壓PFC更高的系統效率和功率密度。
支持連續傳導與多模式的功率因數控制器
本文介紹來(lái)自安森美的NCP1681 PFC控制器，因為它為圖騰柱PFC提供了無(wú)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傳導模式（CCM）與多模式（CrM-CCM）的功率因數校正控制器，可用于驅動(dòng)無(wú)橋圖騰柱PFC拓撲。無(wú)橋圖騰柱PFC是一種功率因數校正架構，由以PWM開(kāi)關(guān)頻率驅動(dòng)的快速開(kāi)關(guān)支路，和以交流線(xiàn)路頻率運行的第二支路組成。這種拓撲消除了傳統PFC電路輸入端的二極管電橋，從而顯著(zhù)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行CCM和在中功率水平執行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，可支持數字電壓環(huán)路補償，以及交流線(xiàn)路監控電路和交流相位檢測，所有工作模式下的功率因數接近一致，具有PFC OK指示燈。
NCP1681適用于300 W至2.5+ kW的大功率轉換器，NCP1681需要電感器上斜率和下斜率信息，來(lái)實(shí)現平均電流模式控制，因此在高頻支路中采用電流互感器。NCP1681板可分為三個(gè)部分，包括EMI濾波器、動(dòng)力傳動(dòng)和低壓部分，每個(gè)部分都有特定的布局和布線(xiàn)需求。
NCP1681可廣泛應用于功率因數校正、離線(xiàn)電源，常見(jiàn)的終端產(chǎn)品包括服務(wù)器電源、電信5G電源、網(wǎng)絡(luò )電源、游戲機電源、超高清電視電源、工業(yè)電源等。
結語(yǔ)
TPPFC方法是高效PFC至數百瓦的首選解決方案，同時(shí)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(gè)應用的要求，因此可以從基于CrM的有源PFC中獲得的改進(jìn)為用戶(hù)帶來(lái)好處（包括降低運營(yíng)成本）。安森美提供的WBG半導體、先進(jìn)的PFC控制器和設計支持工具，將可大大簡(jiǎn)化了電源設計任務(wù)以提高效率，并確?？蛻?hù)的產(chǎn)品可以更快地推向市場(chǎng)。
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