工程師詳解PFC在電源設計中的作用

　　Teslaco公司總裁Slobodan Cuk博士開辟了這個領域的新天地，他研發出一種直接由交流電源線供電的無橋PFC轉換器（正在申請專利）。該轉換器據稱是首款真正的單級無橋AC-DC PFC轉換器。

　　為了實現這一壯舉，Cuk采用了一種新的開關功率轉換方法，這種方法稱為“混合開關”（hybrid-switching）。該方法采用僅包含三個開關的轉換器拓撲：一個可控開關S和兩個無源整流器開關（CR1和CR2）（圖10）。輸入交流電壓為正極或負極時，兩個整流器根據主開關（S） 的狀態作出相應的導通和關斷操作。該拓撲由一個與輸入串聯的電感、浮動的能量傳輸電容（作為開關周期部件的諧振電容器）和一個諧振電感組成。

　　由于基于PWM方波開關的傳統轉換器采用電感和電容器，因此它們需要互補的成對開關。當一個開關導通時，其互補的開關就關斷，反之亦然。因此，只允許采用偶數個開關，而新型混合開關PFC轉換器可以采用奇數個（3個）開關。

　　在這種設置中，這樣的互補開關是不存在的。一個有源開關S單獨控制兩個二極管，其角色會根據交流輸入電壓的極性自動發生變化。例如，交流輸入電壓為正極時，CR1在開關S的導通間隔導電。而交流輸入電壓為負極時，CR1在開關S的關斷間隔導電。此外，CR2還根據開關S的狀態和輸入交流電壓極性自動作出反應。交流輸入電壓為正極時，CR2在開關S的關斷間隔導電;交流輸入電壓為負極時，CR2在開關S的導通間隔導電。

　　因此，三個開關可以在輸入交流線路電壓的正半周期和負半周期的整個周期內工作。因此，這種真正的無橋PFC轉換器無需全橋式整流器也可以工作，這是因為轉換器拓撲實際上執行了交流線路整流。最終在輸入交流線路電壓的正負半周期實現了同樣的直流輸出電壓。消除全橋式整流器相當于直接消除了損耗 （特別是對于85V的低電壓線路而言）。

　　初級的有源開關S在開關頻率下調制和工作，該開關頻率比線路頻率高三個數量級（比如，開關頻率為50kHz時，交流線路頻率為50/60Hz）。占空比（D）可以通過控制開關的導通時間和所有的穩態指標（比如，直流轉換率）來定義，電感L的直流電流根據D來表示。

　　隨后，全波輸入線路電壓和輸入線路電流被感測后作為輸入發送至無橋PFC IC控制器。控制器對初級的開關S進行調制，強制輸入線路電流與輸入線路電壓成正比，從而提供理想的整功率因數。

　　數字控制PFC

　　用于電源的低成本、高性能數字控制器的出現使得這類控制器開始應用于PFC設計。數字控制器可提供可編程配置、非線性控制、低器件數和實現通常使用模擬方法很難實現的復雜功能的能力。

　　如今的大多數數字功率控制器（比如TI的UCD3020）都具有集成式功率控制外設和功率管理內核，包括數字環路補償器、快速模數轉換器（ADC）、帶內置死區時間的高分辨率數字脈寬調制器（DPWM）、低功耗微控制器等。這些控制器支持無橋PFC等復雜的高性能電源設計。

　　圖11

　　例如，無橋PFC可以整合兩個直流-直流升壓電路：L1、D1、S1和L2、D2、S2（圖11）。D3和D4是慢速恢復二極管。單獨感測以內部電源地為基準的線路和中性點電壓可實現輸入交流電壓的測量。通過比較感測的線路和中性信號，固件可以判斷是正半周期還是負半周期。在正半周期時，第一個直流-直流升壓電路（L1-S1-D1）是有源電路，升壓電流通過D4返回至交流中性線。在負半周期時，L2-S2-D2為有源電路，升壓電路通過 D3返回至交流電源線。

　　與采用相同的功率器件的傳統單相PFC相比，無橋PFC和單相PFC應具有相同的開關損耗。不過，無橋PFC電流僅通過一個慢速二極管（正半周期時為D4，負半周期時為D3），而不是同時通過兩個二級管。因此，效率的提升依靠的是一個二極管與兩個二極管之間的傳導損耗之差。

　　無橋PFC的效率還可以通過全面導通不活動的開關來提升。比如，在正周期時，S2可以全面導通，而S1由PWM信號控制。由于在流動的電流低于某個值時MOSFET S2上的電壓降可能低于D4，返回電流會部分或全部流過L1-D1-RL-S2-L2，然后返回至交流電源。這就降低了傳導損耗，從而提高了電路效率（特別是在輕負載下的電路效率）。同樣，在負周期時，S1全面導通，而S2則進行開關控制。

　　在相同的交流電壓和直流輸出電壓下，輸出電流與電壓回路輸出成正比。在此基礎上，頻率和輸出電壓可以進行相應地調整。固件實現數字控制器中的電壓回路。由于輸出已知，因此很容易就能以低于模擬方法的成本實現該功能。