全方位半無橋式/交錯式PFC
為了節(jié)省能源,某些公營事業(yè)公司及環(huán)保機構研擬出許多方案與獎勵計劃,期望能夠使離線式交流對直流(AC-DC)電源轉換器發(fā)揮更高的效率。為減少電線傳輸?shù)暮膿p,這些公司和機構都要求離線式轉換器具備功率因數(shù)校正(PFC)功能。這些方案包括能源之星(Energy Star)、拯救氣候(Climate Savers),還有其他八十多項與運算電源相關的計劃。這些計劃在本質上相似,均都要求離線式電源轉換器在負載從20%升高到100%時,發(fā)揮80%以上的效率,同時要求在滿負載時,其功率因數(shù)要達到0.9以上。
為了達到這些功率因數(shù)需求,設計人員須導入PFC預整流器(Pre-regulator)。目前已開發(fā)出兩項創(chuàng)新的PFC控制拓撲,可提升PFC控制器的效率。第一種拓撲是半無橋式PFC,可減少一半的橋式整流器耗損;第二種拓撲是交錯式PFC,可減少高達50%的轉換器I2R耗損。這兩項技術均須使用兩個升壓功率級來提升效率,因此,設計人員經(jīng)常要對這兩種拓撲架構進行抉擇。為了釐清這個問題,以下將分理論與實務兩方面評估,讓電源供應設計人員能根據(jù)系統(tǒng)需求選擇最適用的拓撲。
半無橋式PFC效率/電感尺寸難兼得
圖1為半無橋式PFC預整流器的電路拓撲圖。此拓撲須搭配兩個升壓功率級(Boost1及Boost2)以實現(xiàn)PFC,升壓電感直接連接到轉換器的輸入。此一拓撲也須採用全波整流器(DA、DB、DC及DD),使一般PFC升壓電容(CBOOST)在最初的通電時間可達到最高電量。然而,在升壓電容的電量達到最高,轉換器啟動運作之后,電源轉換器在每一次二極體橋接器傳導期間,只會有一個整流器二極體(DA或DB)處于工作狀態(tài),不像在全橋式拓撲中,一般會有兩個二極體同時進行傳導。這與以兩個橋式整流器二極體進行傳導的傳統(tǒng)PFC升壓相當不同。這項創(chuàng)新技術可免除一個整流器二極體所產(chǎn)生的傳導損耗而提升效率,進而提升整體系統(tǒng)的效率。
圖1 半無橋式PFC預整流器與其電路拓撲
半無橋式PFC雖可提升系統(tǒng)的運作效率,但也有較傳統(tǒng)PFC預整流器更復雜的缺陷,且設計人員必須使用更大的電感元件。如果深入探究傳統(tǒng)PFC升壓預整流器的電感區(qū)域乘積(WaAcT)及半無橋式PFC預整流器的整體電感乘積(WaAcS),即可看出這一點。
磁性設計人員透過以繞組(Winding)區(qū)域(Wa)及核心橫截面區(qū)域(Ac)為基礎的區(qū)域乘積計算來選取磁性核心。公式1~3計算半無橋式及傳統(tǒng)PFC預整流器的電感區(qū)域總乘積,其中L是PFC升壓電感,IP是峰值PFC輸入電流,ILRMS是均方根(RMS)電流的PFC電感,變數(shù)CD表示所設計電感的電流密度,變數(shù)ΔB表示電感中磁通量密度(Flux Density)的變化,Ku表示磁性階段繞組效率。
從這些區(qū)域乘積的等式中,可看出半無橋式PFC電感乘積的區(qū)域總乘積大約比傳統(tǒng)PFC預整流器的區(qū)域乘積高出1.414倍。亦即半無橋式PFC的總磁量比使用單一升壓功率級的傳統(tǒng)PFC預整流器至少高出1.4倍。
交錯式PFC具備低EMI/小尺寸優(yōu)勢
交錯式PFC預整流器則是將兩個升壓功率級交錯。這項控制技術須使兩個經(jīng)過功率因素校正的升壓功率級保持180度反相運作。此一拓撲具有多項優(yōu)點,因此受到廣泛運用,其中一項主要的優(yōu)點是可以消除輸入及輸出電感鏈波電流。如果設計得宜,亦有助于降低整體升壓電感及/或電磁波干擾(EMI)磁量。消除輸出電感鏈波電流可減少升壓電容均方根電流,使電容體積縮小25%以上。讀者須特別注意,此處所指的電容體積縮小不是指升壓電容體積可以縮小,因為升壓電容一般是由延遲時間及輸出功率所決定。圖2為交錯式PFC預整流器示意圖。
圖2 交錯式PFC預整流器與其電路拓撲

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