采用功率因數校正技術將功耗降至最低(06-100)

　　隨著家庭和各種工作場所對消費電子和計算機用量的增加，功耗成本受到越來越多的重視。降低用戶設備功耗的需求正在促使設備內外的電源實現更高的能效。

　　對于數百瓦到千瓦的AC-DC電源，其效率取決于功率因子校正 (PFC)和后級的DC-DC變換效率。盡管人們今天已經能較好地理解DC-DC變換器的成本和性能間的利弊權衡，但從電路和控制技術的角度來講，PFC技術一直處于落后狀態。不過，這種局面最近已經開始改變。本文將討論該技術領域的一些發展，以及電源設計工程師如何把握各種設計觀點和建議。

　　AC-DC變換器中的損耗

　　AC-DC變換器中的功率損耗一般包括：

　　·升壓二極管中的反向恢復損耗；

　　·輸入整流橋的損耗；

　　·EMI濾波器中的損耗；

　　·PFC功率開關管的損耗；

　　·電感/扼流線圈損耗。

　　升壓二極管中反向恢復損耗

　　PFC變換器一般采用兩種控制技術：連續電流模式 (CCM) 和邊界模式 (BCM)，后者也稱作變調模式 (TM) 或臨界模式 (CRM)。在CCM變換器中，控制IC用固定頻率調整占空比（PWM）來調節升壓電感的平均電流。在BCM變換器中，該電感電流在開關導通前可以回到零，因而是一個頻率可變的控制方案。

　　當CCM變換器中的MOSFET導通時，由于仍有電感電流流經升壓整流二極管，升壓整流二極管將經歷反向恢復過程 (二極管內的反向電流消失的過程)。這將在主MOSFET M1中造成功率損耗。在BCM變換器中，電感電流在MOSFET導通時基本上為零，即實現了軟開關功能。因此，采用BCM控制技術的反向恢復損耗最小。

　　但采用BCM所得到的好處并非無代價的。BCM的峰值電感電流比CCM高出兩倍；較高的峰值電感電流在MOSFET和二極管中會都造成較大的導通損耗，并在電感中造成更大的功率損耗。因此，BCM模式的變換器局限于輸出功率在250W到300W的應用中。

　　此外，二極管技術的改進已提高了CCM模式的 PFC變換器效率。碳化硅 (SiC) 整流二極管已經使反向恢復效應大幅降低，這有助于將問題解決，但成本較高。超快速硅二極管產品也能降低反向恢復損耗，但代價是導通損耗較高。

　　輸入整流橋的損耗

　　AC-DC變換器有用四個慢速恢復二極管構成的輸入整流橋。這些二極管的功率損耗相當可觀。因此，就有了所謂的 “無橋PFC” 技術，即將圖1中整流橋的下面兩個二極管換成兩個受控驅動的MOSFET作為升壓開關 (注意“無橋”一詞可能用得不當，因為輸入整流二極管仍然存在)。這些橋接二極管起到了升壓二極管AC-DC變換器有用四個慢速恢復二極管構成的輸入整流橋。這些二極管的功率損耗相當可觀。因此，就有了所謂的 “無橋PFC” 技術，即將圖1中整流橋的下面兩個二極管換成兩個受控驅動的MOSFET作為升壓開關 (注意“無橋”一詞可能用得不當，因為輸入整流二極管仍然存在)。這些橋接二極管起到了升壓二極管的作用，省掉了傳統技術中的升壓二極管部件。從理論上講，這會提高效率，因為電流在某一時刻只流經兩顆半導體器件，而不是三顆。