反激式控制器將有源 PFC 功能電路整合在單級轉換器

任何依靠交流電源工作的電源系統都具有一個相關的功率因數，該功率因數被定義為其從交流電源吸收電流的方式。AC 電力系統的功率因數被定義為流至負載的有功功率 (real power) 與視在功率 (apparent power) 的比值，是一個介於 0 和 1 之間的無單位數值。有功功率是電路在特定時間執行任務的能力。視在功率則是電路的電流與電壓之乘積。由於非線性負載 (它會使從電源吸收的電流波形產生失真) 的原因，視在功率將大於有功功率。

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在一個電力系統中，與一個具有高功率因數的負載相比，在所傳輸的有用功率相同的情況下，一個具有低功率因數的負載吸收更大的電流。因為所需的電流較高，所以在配電系統中損失的能量也增加了，這反過來又需要更粗的導線和其他傳輸設備。較大的設備和能源浪費增加了成本，所以電力公司往往對功率因數較低的客戶收取較高的費用。

此外，電源的功率因數還會對 AC-DC 電源產生在交流電源上的諧波造成影響，因此，為不帶功率因數校正功能的 AC-DC 電源之負載配電時，電力公司面臨重大難題。此類電源是非線性負載，它們：
•會使 AC 波形失真
•會引起諧波電流，此諧波電流會影響同一根電力線上其他設備的操作
•會由於中線過熱而引發火災
•會導致電源變壓器承受過大的應力和縮短壽命
•會導致 AC 電源發生器過載

自上世紀 80 年代起，歐盟決定將解決這些問題的重擔交給採用 AC-DC 電源之產品的製造商。從那以後，用於限制相關產品在電力線頻率的諧波 (整數倍) 上可以吸收之電流值的標準幾經修改。最終，形成了 IEC61000-3-2市電線路諧波電流輻射標準分類，如表 1 所示。

表 1：IEC 61000-3-2 分類

如圖 1 所示，典型的離線式電源利用一個負責驅動電容性負載的二極體電橋給交流電源線加載。該負載是非線性的 (因為它主要給一個電容器充電)，而且此類負載只在正弦線路電壓的峰值期間吸收電流，因而產生了會引起電源線諧波的線路輸入電流峰值。

圖 1：開關電源輸入電路

功率因數校正 (PFC)
改善功率因數的方法之一是採用一個濾波器。這通常被稱為「無源 PFC」。可以設計一種只傳遞位於市電線路頻率 (例如：50Hz 或 60Hz) 之電流的濾波器。這種濾波器一般用於低功率要求並可減小諧波電流，這意味著非線性器件此時看似一個線性負載，而且能根據需要採用電容器或電感器以使功率因數接近 1。不過，此類濾波器需要採用大數值的高電流電感器，而這種電感器既笨重又昂貴。

有源 PFC
有源 PFC 是一種用於控制負載所吸取的無功功率之的電力電子系統，旨在獲得儘可能接近 1 的功率因數。在大多數應用中，有源 PFC 負責控制負載的輸入電流，以使電流波形與交流電源電壓波形 (正弦波) 成比例。有源 PFC 功能電路通常包括一個附加的開關升壓轉換器功率級，該功率級需要一個控制 IC、開關 MOSFET和電源電感器。有源 PFC 使電壓和電流幾乎同相，而且無功功率損耗接近於零。這就能最高效地將電能從電力公司傳送給用戶。圖 2 示出了未採用 PFC 和採用有源 PFC (1.0) 時至離線式開關電源的電流波形。

圖 2：採用和未採用有源 PFC 時的 AC 電壓和電流波形 (對於一個容性負載)

迄今為止，電源設計一直需要採用一個額外的功率級以整合 PFC。無論是有源 PFC 還是無源 PFC，都需要增設組件，從而導致成本、電路尺寸和複雜性的增加。然而，凌力爾特近期宣布推出一款革命性的隔離型反激式控制器，該器件將有源 PFC 功能電路整合在單級轉換器，而無需額外的組件。

介紹
LT®3798 是一款具單級有源 PFC 功能且無需光耦合器的恆定電流 / 恆定電壓隔離型反激式控制器。通過主動調製輸入電流，能實現一個高於 0.97 的功率因數，從而無需額外的開關電源級和有關的組件。此外，無需光耦合器或信號變壓器實現反饋，因為輸出電壓是從主端反激信號中檢測的。

基於 LT3798 的設計可輕鬆地滿足大多數諧波電流輻射規格的要求。輸出功率值高達 100W 時，可實現高於 86% 的效率。該器件的輸入電壓範圍與外部組件的選擇有關，而且它能夠在 90VAC 至 307VAC 的輸入電壓範圍內運作，並可容易地調節至較高或較低的輸入電壓。此外，LT3798 還可設計到輸入電壓很高的 DC 應用中，從而使該器件非常適用於工業、EV/EHV 汽車、採礦和醫療應用。LT3798 運用臨界傳導模式工作，相比連續傳導模式設計，前者可使用更小的變壓器，從而進一步減小了解決方案的尺寸。LT3798 採用耐熱性能增強型 16 引腳 MSOP 封裝。

圖 3 示出了 LT3798 的一款典型應用電路，該電路可將一個 90VAC ~ 265VAC 的輸入電壓轉換至 24V/1A 輸出。此 IC 為電流模式開關控制器，專門用於採用一種隔離型反激式拓撲來產生一個恆定電流 / 恆定電壓電源。為了保持輸出電壓調節作用，這款設計從第二個主端變壓器繞組來檢測輸出電壓。

圖 3：LT3798 用作一款通用輸入 24W PFC 總線轉換器

LT3798 免除了增設一個光耦合器、光碟機動器和副端基準電壓的需要，同時保持了主端與副端之間的隔離 (只有一部分必須橫跨隔離勢壘)。另外，該器件還運用了一種主端檢測方案，此方案能夠通過反激式主端變壓器繞組來檢測輸出電壓。在開關斷開期間，輸出二極體向輸出端提供電流，而且輸出電壓反射至反激式變壓器的主端。該反射電壓的數值為輸入電壓與輸出電壓之和，這是 LT3798 能夠重構的。

在一個典型周期中，柵極驅動器接通外部 MOSFET 以使一個電流流入主端繞組。該電流以一個與輸入電壓成正比、而與變壓器的磁化電感成反比的速率增加。控制環路負責確定最大電流，而一個比較器用於在其達到該電流時切斷開關。當開關斷開時，變壓器中的能量通過輸出二極體 D4 流出副端繞組 (參閱圖 3)。

LT3798 功率因數校正
LT3798 的 VIN_SENSE 引腳連接至一個從電源電壓引出的電阻分壓器。兩個誤差放大器輸出中靠下的那個與 VIN_SENSE 引腳電壓相乘。假如 LT3798 採用一個快速控制環路進行配置，則 VIN_SENSE 引腳電壓變化的減緩將不會干擾電流限制或輸出電流。COMP+ 引腳電壓將根據 VIN_SENSE 的變化進行相應的調節。使乘法器起作用的唯一方法是把控制環路的操作速度設定為比 VIN_SENSE 信號的基礎頻率低一個數量級。在離線操作的情況下，電源電壓的基礎頻率為 120Hz，於是控制環路單位增益頻率必須設定為約低於 12Hz。由於在副端上未儲存大量的能量，因此輸出電流將受到電源電壓變化的影響，但輸出電流的 DC 分量將是準確的。一個內部乘法器通過使主電源開關的峰值電流與線路電壓成比例，使得 LT3798 實現了高功率因數和低諧波分量。對於大多數設計，基於 LT3798 的設計均能獲得高於 0.97 的功率因數，並將滿足大部分諧波輻射規格的要求。

變壓器的設計考慮因素
變壓器的規格與設計是成功應用 LT3798 的一個關鍵性的環節。除了應對高頻隔離式電源變壓器設計的一系列常見注意事項 (例如：低漏電感) 之外，以下信息也是應當謹慎考慮的。由於變壓器副端上的電流是利用主端上的採樣電流推知的，因此必須嚴格控制變壓器匝數比以確保提供一個恆定的輸出電流。變壓器之間的 ±5% 匝數比容差有可能在輸出調節中導致超過 ±5% 的偏差。幸運的是，大多數磁性組件製造商都能夠保證 1% 或更好的匝數比容差。凌力爾特已與多家主要的磁性組件製造商開展了合作，以生產可與 LT3798 配合使用的預設計型反激式變壓器，LT3798 的產品手冊中提供了這些變壓器的清單。

結論
功率因數的意義在於這樣的事實：電力公司供應給客戶的是伏安，但費用卻是以瓦來收取的。如果功率因數低於 1.0，那麼就要求這些公司生產超過供應有功功率 (瓦) 所需的最小伏安之的電能，因而導致電力生產成本以及將電力傳送給消費者的輸電成本有所增加。

LT3798能夠利用整合在單級反激式轉換器中的有源 PFC 功能電路提供離線式隔離型電源轉換，而且在此過程中無需使用一個光耦合器來檢測輸出電壓，因而是一款革命性的新型器件。這種組合顯著地簡化了設計，減小了線路電壓諧波失真和解決方案尺寸，改善了功率因數，並降低了轉換器的成本，可用於眾多的離線式以及高 DC 輸入應用。