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如何用無橋圖騰柱功率因數(shù)校正控制器實(shí)現(xiàn)出色的AC-DC功率轉(zhuǎn)換效率

發(fā)布時間:2022-05-27 來源:Yong Ang,安森美 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】電網(wǎng)提供的電能是交流電,但我們使用的大多數(shù)設(shè)備都需要直流電,這意味著進(jìn)行這種轉(zhuǎn)換的交流/直流電源是能源網(wǎng)上最常見的負(fù)載之一。隨著世界關(guān)注能效以保護(hù)環(huán)境并管理運(yùn)營成本,這些電源的高效運(yùn)行變得越來越重要。


效率作為輸入功率與供給負(fù)載的功率之間的比率衡量,很容易理解。但是,輸入功率因數(shù)也有很大的影響。功率因數(shù)(PF)描述了任何交流電設(shè)備(包括電源)消耗的有用(真實(shí))功率與總(視在)功率(kVA)之間的比值。PF衡量消耗的電能轉(zhuǎn)換為有用功輸出的有效性。


如果負(fù)載是純阻性負(fù)載,PF將等于1,但任何負(fù)載內(nèi)的無功元件都會降低PF,使視在功率大于有用功率,從而導(dǎo)致效率降低。


PF小于1是由電壓和電流相位不同引起的——這在感性負(fù)載中很常見。它也可能是由于諧波含量高或電流波形失真,這在開關(guān)型電源(SMPS)或其他類型的不連續(xù)電子負(fù)載中很常見。


校正PF


許多不帶PF校正的SMPS比經(jīng)過校正的SMPS消耗的電流更高,因此在功率水平高于70W的條件下,立法要求設(shè)計(jì)人員添加電路將PF的值校正為接近1。最常見的有源PF校正(PFC)技術(shù)使用升壓轉(zhuǎn)換器將整流電源轉(zhuǎn)換為直流高電平,然后使用脈寬調(diào)制(PWM)來調(diào)節(jié)直流電平。


雖然這項(xiàng)技術(shù)效果很好且易于實(shí)施,但也存在一些挑戰(zhàn)。現(xiàn)代效率標(biāo)準(zhǔn)(如嚴(yán)格的“80+ 鈦金標(biāo)準(zhǔn)”)要求在整個寬功率范圍內(nèi)具有高效率,在50%負(fù)載條件下的峰值效率需達(dá)到96%。由于PFC級之后的DC-DC轉(zhuǎn)換器通常具有2%的損耗,線性整流和PFC級本身只能損耗2%——這對橋式整流器中的二極管來說是一個挑戰(zhàn)。


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圖1:傳統(tǒng)(左)和(右)無橋圖騰 PFC電路


然而,如果將升壓二極管(D5)替換為同步整流器,效率則會提高。此外,只需要兩個線性整流二極管,也可以采用同步整流器(Q3和Q4),進(jìn)一步提高效率。這種技術(shù)被稱為圖騰柱PFC(TPPFC),借助理想電感和出色開關(guān),效率可以接近100%?,F(xiàn)代MOSFET具有出色的性能,但尚未達(dá)到理想開關(guān)的水平——即使并聯(lián)使用時也很難達(dá)到。因此,寬帶隙半導(dǎo)體開關(guān)將與圖騰柱PFC拓?fù)鋽y手并進(jìn)。


應(yīng)對損耗


隨著開關(guān)頻率不斷提高的發(fā)展趨勢,開關(guān)器件中的動態(tài)損耗會產(chǎn)生更大的影響。這些損耗是MOSFET被配置為圖騰柱高速開關(guān)橋臂時的反向恢復(fù)所致,當(dāng)其體二極管在開關(guān)“死區(qū)”時間內(nèi)導(dǎo)通時,必須耗盡相關(guān)的存儲電荷,損耗也來自于開關(guān)輸出電容的充電和放電。


事實(shí)上,硅基MOSFET的動態(tài)損耗可能相當(dāng)大,因此,設(shè)計(jì)人員越來越多地在TPPFC應(yīng)用中指定使用寬帶隙半導(dǎo)體材料,例如碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)器件。這些器件的附加優(yōu)勢是更高工作頻率和高溫工作能力——這兩個特性在電源應(yīng)用中非常有用。


臨界導(dǎo)通模式(CrM)通常是TPPFC的首選導(dǎo)通模式,尤其是在功率高達(dá)幾百瓦時,該模式提供了效率和EMI 性能之間的良好折衷。連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)可進(jìn)一步降低開關(guān)中的RMS電流和導(dǎo)通損耗,使TPPFC能夠適用于千瓦級額定功率的應(yīng)用。


即便使用CrM,效率在輕負(fù)載條件下也會明顯下降(可達(dá)10%),這在我們試圖滿足待機(jī)或空載能耗限制時帶來了真正的挑戰(zhàn)。一種解決方案是箝位或“折返”最大允許頻率,從而在輕負(fù)載條件下強(qiáng)制電路進(jìn)入DCM,該模式下的較高峰值電流仍低于同等CrM實(shí)現(xiàn)中的峰值電流。


將TPPFC與CrM工作和頻率箝位相結(jié)合,可提供一個良好的中等功率解決方案,在整個負(fù)載范圍內(nèi)提供出色的效率,尤其是當(dāng)WBG開關(guān)用于高頻橋臂時。


其他挑戰(zhàn)


解決了效率挑戰(zhàn)后,還需要克服最后一個障礙。需要同步驅(qū)動四個有源器件,并且必須檢測電感的零電流交越以強(qiáng)制CrM。該電路必須能夠在需要時自動切換進(jìn)入和退出DCM,而且在完成所有這些操作的同時,保持高功率因數(shù)并生成一個PWM信號來調(diào)節(jié)輸出。除此之外,還要求提供電路保護(hù)(例如過電流和過壓)。


一般來說,鑒于所涉及的復(fù)雜性,最佳方法是在微控制器中實(shí)現(xiàn)控制算法。然而,這種方法可能很昂貴,而且需要生成并調(diào)試代碼,這是許多設(shè)計(jì)人員希望避免的領(lǐng)域。


采用CrM的TPPFC無代碼解決方案


完全集成的TPPFC控制解決方案具有許多優(yōu)勢,包括能夠提高性能水平、縮短設(shè)計(jì)時間和降低設(shè)計(jì)風(fēng)險,同時無需采用微控制器和相關(guān)代碼。


安森美(onsemi)提供的混合信號TPPFC控制器NCP1680就是這樣一種集成解決方案,該控制器在恒定導(dǎo)通時間的CrM下工作,確保在整個負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效率。NCP1680可在輕負(fù)載條件下提供頻率折返期間的“谷底開關(guān)”,通過在最低電壓下進(jìn)行開關(guān)操作來提高效率。數(shù)字電壓控制環(huán)路經(jīng)過內(nèi)部補(bǔ)償,可優(yōu)化整個負(fù)載范圍內(nèi)的性能,同時能夠確保設(shè)計(jì)過程保持簡單。


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圖2:NCP1680提供了簡單而精巧的無代碼TPPFC解決方案


這款創(chuàng)新的控制器采用小型SOIC-16封裝,利用專有的低損耗方法進(jìn)行電流檢測和逐周期限流,無需外部霍爾效應(yīng)傳感器即可提供出色的保護(hù)水平,從而降低復(fù)雜性、尺寸和成本。


所有必要的控制算法都嵌入在IC中,為設(shè)計(jì)人員提供低風(fēng)險、經(jīng)過試用和測試驗(yàn)證的解決方案,在經(jīng)濟(jì)價位下提供高性能。



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