采用功率因数校正技术将功耗降至最低

1、采用功率因数校正技术将功耗降至最低随着家庭和各种工作场所对消费和计算机用量的增强，功耗成本受到越来越多的重视。降低用户设备功耗的需求正在促使设备内外的电源实现更高的能效。对于数百瓦到千瓦的ac-dc电源，其效率取决于功率因子校正 (pfc)和后级的dc-dc变换效率。尽管人们今日已经能较好地理解dc-dc变换器的成本和性能间的利弊权衡，但从和控制技术的角度来讲，pfc技术向来处于落后状态。不过，这种局面最近已经开头转变。本文将研究该技术领域的一些进展，以及电源设计工程师如何掌握各种设计观点和建议。ac-dc变换器中的损耗ac-dc变换器中的功率损耗普通包括：升压中的反向复原损耗；输入整流桥的损

2、耗；emi中的损耗；pfc功率开关管的损耗；/扼流线圈损耗。升压二极管中反向复原损耗pfc变换器普通采纳两种控制技术：延续模式 (ccm) 和边界模式 (bcm)，后者也称作变调模式 (tm) 或临界模式 (crm)。在ccm变换器中，控制ic用固定频率调节占空比（）来调整升压电感的平均电流。在bcm变换器中，该电感电流在开关导通前可以回到零，因而是一个频率可变的控制计划。当ccm变换器中的导通时，因为仍有电感电流流经升压整流二极管，升压整流二极管将经受反向复原过程 (二极管内的反向电流消逝的过程)。这将在主mosfet m1中造胜利率损耗。在bcm变换器中，电感电流在mosfet导通时基本上

3、为零，即实现了软开关功能。因此，采纳bcm控制技术的反向复原损耗最小。但采纳bcm所得到的益处并非无代价的。bcm的峰值电感电流比ccm高出两倍；较高的峰值电感电流在mosfet和二极管中会都造成较大的导通损耗，并在电感中造成更大的功率损耗。因此，bcm模式的变换器局限于输出功率在250w到300w的应用中。此外，二极管技术的改进已提高了ccm模式的 pfc变换器效率。碳化硅 (sic) 整流二极管已经使反向复原效应大幅降低，这有助于将问题解决，但成本较高。超迅速硅二极管产品也能降低反向复原损耗，但代价是导通损耗较高。输入整流桥的损耗ac-dc变换器实用四个慢速复原二极管构成的输入整流桥。这些

4、二极管的功率损耗相当可观。因此，就有了所谓的 “无桥pfc” 技术，即将图1中整流桥的下面两个二极管换成两个受控驱动的mosfet作为升压开关 (注重“无桥”一词可能用得不当，由于输入整流二极管仍然存在)。这些桥接二极管起到了升压二极管ac-dc变换器实用四个慢速复原二极管构成的输入整流桥。这些二极管的功率损耗相当可观。因此，就有了所谓的 “无桥pfc” 技术，即将图1中整流桥的下面两个二极管换成两个受控驱动的mosfet作为升压开关 (注重“无桥”一词可能用得不当，由于输入整流二极管仍然存在)。这些桥接二极管起到了升压二极管的作用，省掉了传统技术中的升压二极管部件。从理论上讲，这会提高效率，

5、由于电流在某一时刻只流经两颗器件，而不是三颗。无桥pfc技术濒临的问题是电流检测、emi和输入检测。此外，桥式整流器中的有源开关器件现在必需防止输入电压的瞬变。而且，因为必需采纳速度较高的二极管，在功率较高时，涌流庇护也是个问题。而采纳最新的pfc控制技术，如采纳电压模式控制的fan7528或基于单循环控制技术的控制器，起码可以避免输入电压检测的问题。虽然可以采纳常规技术，即用控制ic的单驱动信号来控制这两个桥的开关，但是为了获得最大的功效和较低的emi，需要新的控制技术来实现各个功率开关的单独控制。emi滤波器中的损耗减小电磁干扰 (emi) 滤波器的尺寸也能降低相应的损耗。因为在dc-dc

6、变换器中采纳了负载点处理器功率技术，即所谓 “隔相” 或 “交叉通道” 技术，用法多个功率级的pfc变换器逐渐被业界接受。隔相技术可减小输入处的波纹电流，从而减小emi滤波器的尺寸。隔相技术还能减小囫囵升压电感的尺寸，而且，因为电感被分开，也有助于充实散热。pfc功率开关管的损耗为了降低开关损耗，必需考虑采纳零电压开关 (zvs) 或零电流开关 (zcs) 技术。在bcm控制中 (半导体fan7527b 和fan7528控制器所采纳的技术)，主mosfet开关在电流为零的状况下导通，减小了导通损耗，从而降低了功耗。这对低功率变换器来说是一大优点，但因为功率较大时主要损耗源于导通损耗，所以这种优

7、点只能体现在300w以下的应用中。因为pfc前端的开关频率相对较低，因而有可能采纳 (绝缘栅双极晶体管) 来降低高功率下的导通损耗。不过，大多数应用仍然用法mosfet，由于其开关损耗较低。主mosfet开关也可以在电压为零的状况下导通。这需要添加一些额外的电路，包括小功率mosfet、整流器和电感 (飞兆半导体的fan4822就采纳了这些电路)。这些部件相当于给开关电路注入了某种 “幼儿养分剂”；通过时序优化和利用谐振效应，使跨过主mosfet开关的电压在导通前为零。虽然该计划看似很具吸引力，但电路拓朴非常复杂。电感/扼流线圈损耗电感中的损耗可通过电感最小化来降低，并透过提高有效开关频率来实

8、现，即采纳可外部设置开关频率的控制ic。这种办法的代价是：谐波成分提高，并可能需要更快 (因此更贵) 的二极管。另一个考虑因素是相位交叉的各功率级；这些功率级具有抵消波纹电流的优点，可允许存在较高的峰值电流。允许的峰值电流越大意味着需要的电感越小、需要的铜材也越少，因而每个扼流线圈的损耗越低。将来进展趋势即将流行的pfc技术是升压尾随型pfc，它可使输出电压随输入电压而转变。这种技术提升ac线路的电压，实现其后的dc-dc变换器所要求的最低电压，从而提高pfc变换器的整体效率。但这将引出两个成本增强因素：其一，dc-dc变换器的设计更复杂，由于它必需在更大的输入电压范围 (比如200到 400vdc) 工作；其二，不能用法那些输入电压范围窄的技术，如流行的llc谐振半桥。最后，针对某些新的控制技术如交错和无桥pfc，目前缺乏新的可行的模拟控制ic，这意味着数字控制可能是可取的挑选计划。实际上，最近市场上已推出了起码三种数控ac-dc电源。尽管许多产品的成本看似高不行攀，但起码在低功率应用领域，还是一个令人高兴和值得关注的将来进展动向。结语采纳有源fpc技术的电源市场