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無橋圖騰柱功率因數校正控制器 實現AC-DC 功率轉換效益
 

【作者: Yong Ang】   2022年06月25日 星期六

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電網提供的電能是交流電,但我們使用的大多數設備都需要直流電,這意味著進行這種轉換的交流/直流電源是能源網上最常見的負載之一。隨著世界關注能效以保護環境並管理營運成本,這些電源的高效運行變得越來越重要。


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


如果負載是純電阻性負載,PF 將等於1,但任何負載內的無功元件都會降低PF,使視在功率大於有用功率,從而導致效率降低。


PF小於1是由電壓和電流相位不同引起的,這在電桿負載中很常見。它也可能是由於諧波含量高或電流波形失真,這在開關型電源(SMPS)或其他類型的不連續電子負載中很常見。


校正 PF

許多不帶 PF 校正的 SMPS 比經過校正的SMPS消耗的電流更高,因此在功率水準高於70W的條件下,立法要求設計人員添加電路將PF的值校正為接近1。最常見的有源PF校正(PFC)技術使用升壓轉換器將整流電源轉換為直流高電平,然後使用脈寬調製(PWM)來調節直流電平。


雖然這項技術效果很好且易於實施,但也存在一些挑戰。現代效率標準(如嚴格的「80+ 鈦金標準」)要求在整個寬功率範圍內具有高效率,在 50%負載條件下的峰值效率需達到96%。由於 PFC 級之後的 DC-DC 轉換器通常具有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體來說是一個挑戰。



圖一 : 傳統(左)和(右)無橋圖騰柱 PFC 電路
圖一 : 傳統(左)和(右)無橋圖騰柱 PFC 電路

然而,如果將升壓二極體(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體,也可以採用同步整流器(Q3和Q4),進一步提高效率。這種技術被稱為圖騰柱 PFC(TPPFC),借助理想電感和出色開關,效率可以接近 100%。現代MOSFET具有出色的性能,但尚未達到理想開關的水準,而且即使並聯使用時也很難達到。因此,寬能隙半導體開關將與圖騰柱PFC拓撲攜手並進。


應對損耗

隨著開關頻率不斷提高的發展趨勢,開關器件中的動態損耗會產生更大的影響。這些損耗是MOSFET被配置為圖騰柱高速開關橋臂時的反向恢復所致,當其二極體在開關「死區」時間內導通時,必須耗盡相關的儲存電荷,損耗也來自於開關輸出電容的充電和放電。


事實上,矽基MOSFET的動態損耗可能相當大,因此,設計人員越來越多地在 TPPFC應用中指定使用寬能隙半導體材料,例如碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN) 元件。這些元件的附加優勢是更高工作頻率和高溫工作能力,而這兩個特性在電源應用中非常有用。


臨界導通模式(CrM)通常是TPPFC的首選導通模式,尤其是在功率高達幾百瓦時,該模式提供了效率和EMI性能之間的良好折衷。連續導通模式(CCM)可進一步降低開關中的RMS電流和導通損耗,使TPPFC能夠適用於千瓦級額定功率的應用。


即便使用CrM,效率在輕負載條件下也會明顯下降(可達 10%),這在試圖滿足待機或空載能耗限制時帶來了真正的挑戰。一種解決方案是箝位或「折返」最大允許頻率,從而在輕負載條件下強制電路進入DCM,該模式下的較高峰值電流仍低於同等CrM實現中的峰值電流。


將TPPFC與CrM工作和頻率箝位元相結合,可提供一個良好的中等功率解決方案,在整個負載範圍內提供出色的效率,尤其是當WBG開關用於高頻橋臂時。


其他挑戰

解決了效率挑戰後,還需要克服最後一個障礙。需要同步驅動四個主動元件,並且必須檢測電感的零電流交越以強制CrM。該電路必須能夠在需要時自動切換進入和退出DCM,而且在完成所有這些操作的同時,保持高功率因數並生成一個PWM訊號來調節輸出。除此之外,還要求提供電路保護(例如過電流和過壓)。


一般來說,鑒於所涉及的複雜性,最佳方法是在微控制器中實現控制演算法。然而,這種方法可能很昂貴,而且需要生成並進行代碼除錯,這是許多設計人員希望避免的領域。


採用CrM的TPPFC無代碼解決方案

完全整合的TPPFC控制解決方案具有許多優勢,包括能夠提高性能水準、縮短設計階段和降低設計風險,同時無需採用微控制器和相關代碼。


安森美的混合訊號TPPFC控制器NCP1680就是這樣的一種整合解決方案,該控制器在恆定導通時間的CrM下工作,確保在整個負載範圍內實現高效率。NCP1680可在輕負載條件下提供頻率折返期間的「穀底開關」,通過在最低電壓下進行開關操作來提高效率。數位電壓控制環路經過內部補償,可優化整個負載範圍內的性能,同時能夠確保設計過程保持簡單。



圖二 : NCP1680提供簡單而精巧的無代碼TPPFC解決方案
圖二 : NCP1680提供簡單而精巧的無代碼TPPFC解決方案

這款創新的控制器採用小型SOIC-16封裝,利用專有的低損耗方法進行電流檢測和逐周期限流,無需外部霍爾效應感測器即可提供出色的保護水準,從而降低複雜性、尺寸和成本。


所有必要的控制演算法都嵌入在IC中,為設計人員提供低風險、經過試用和測試驗證的解決方案,在符合經濟效益情況下提供高性能。


(本文作者Yong Ang為安森美戰略行銷總監)


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