如何選擇正確的PFC拓撲結構

2021-01-16 電子產品世界

隨著減小諧波標準的廣泛應用，更多的電源設計結合了功率因數校正 (PFC) 功能。設計人員面對著實現適當的PFC段，並同時滿足其它高效能標準的要求及客戶預期成本的艱巨任務。許多新型PFC拓撲和元件選擇的湧現，有助設計人員優化其特定應用要求的設計。

由於有源PFC設計可以讓設計人員以最少的精力滿足高效能規範的要求，因此在近年來取得了好的發展。通過簡化主功率轉換段的設計和減少元件數目，包括用於通用操作的波段轉換開關和若干佔用電容，此設計也附帶了一些優勢。

拓撲選擇

由於輸入端存在電感，升壓轉換器是提供達至高功率因數的方法。此電感使輸入電流整形與線路電壓同相。但是，可以採用不同的方案來控制電感電流的瞬時值，以獲得功率因數校正。圖1為這些方案的簡要概述。

圖1 PFC工作模式概述

a. 臨界導電模式 (CRM) PFC - 由於控制的設計較為簡單，而且可與較低速升壓二極體配合使用，所以在較低功率應用中通常採用這方法。近年來，此方法獲創新的改進，提升了效率，MC33260 PFC 控制器提供跟隨升壓選項，通過使升壓轉換器的輸出電壓隨著線路電壓的變化而變化，降低了33%的 MOSFET 導電損耗，減小了43%的升壓電感尺寸。此外，專為CRM和DCM應用而設計的升壓二極體可提供更佳的正向壓降(MUR450, MUR550)。然而，CRM PFC仍受到一些限制，如較難過濾的可變頻率和接近零交叉的高開關頻率。

b. 不連續導電模式(DCM) PFC -此創新的方案延承了CRM的優點，並消除了若干限制，安森美半導體的NCP1601 DCM/CRM控制器便是一例。此器件可完全在DCM中工作並保持恆頻，也可以部分在CRM模式中工作。在第二種情況下，峰值電流與CRM維持在同一水平，但最高頻率明顯降低，減輕了濾波負擔。降低開關頻率的另一大優點是有助降低輕載或空載功耗，以滿足各種高能效標準。具有專利控制架構，通過模式轉換保持PFC，提供比其它方法更為卓越的性能。圖2顯示了NCP1601A在100 W中的應用，這種方法簡單且有效 - 110 Vac 和滿載時的功率因數超過0.99且效率高達 94%。

圖2 NCP1601A DCM PFC 控制器用於100 W 應用圖3 NCP1653 CCM PFC 控制器用於300 W應用

c. 連續導電模式 (CCM) PFC - 由於這種方案恆頻且峰值電流較小，是較高功率 (>250 W) 應用的首選方案。但是，傳統的控制解決方案較為複雜，牽涉到多個環路，以及以不精確著稱的模擬乘法器，並需在控制集成電路周圍放許多元件。隨著NCP1653(簡單且穩固的8引腳CCM PFC控制器)的推出，此方案得以簡化。NCP1653並提供全套保護特性和跟隨升壓功能。如圖3所示，雖然NCP1653所需元件極少，但其性能卻並不比任何CCM 控制器遜色 (110 Vac, 300 W 時的THD為4 %，效率高達93%)。

圖3 NCP1653 CCM PFC 控制器用於300W 應用

選擇標準

既然實行功率因數校正有多種新興方案可供選擇，那麼應該如何決定選擇哪種方案呢？

1. 功率水平

a. 如果功率水平低於150 W，最好採用CRM或DCM方案。至於__CRM或DCM，取決於你是想優化滿載效率(請採用CRM)；而如欲減少EMI問題(請選擇DCM)。如上所述，NCP1601提供集兩種方案優點於一身的極佳選擇方案。

b. 如功率水平高於250 W，CCM是首選方案。此方案雖然可保持峰值電流和RMS電流，但必須解決二極體反向恢復問題。

c. 如功率水平在150 W與250 W之間，方案的選擇則取決於設計人員的磁件設計水平(CRM和DCM方案的升壓電感更具挑戰性)，但CCM方案雖然較為昂貴，但較有把握。隨著NCP1653的推出，成本問題已獲解決。

2. 其它系統要求

拓撲的選擇還取決於其它系統要求。例如，如果需要使系統中的頻率同步，則不能採用CRM。此外，如果第二個功率段可處理較大範圍(在某些功率序列安排中可能需要)的輸入電壓，則應選擇跟隨升壓。最後，如果電源的輸出電壓未有嚴格規定，則最好採用NCP1651提供的單段隔離PFC解決方案。

結語

設計人員可試驗各種功率因數校正方案，以選擇適合其應用的最佳方案。利用易用的設計工具可以快速順利地完成此任務。隨著世界各地監管機構日益加強能源監管的參與力度以及全球化步伐進一步加快，將有越來越多的系統需採用PFC電路。在此情況下，設計人員必須熟悉各種可選方案，以選擇最適合其應用的方案。

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