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    如何用無橋圖騰柱功率因數校正控制器實現出色的AC-DC功率轉換效率

    作者:Yong Ang(安森美半導體戰略營銷總監)時間:2022-04-15來源:電子產品世界收藏

    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并管理運營成本,這些電源的高效運行變得越來越重要。

    本文引用地址:http://www.eventoempresarial.net/article/202204/433094.htm

    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,輸入功率因數也有很大的影響。功率因數(PF) 描述了任何交流電設備(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。

    如果負載是純阻性負載,PF 將等于1,但任何負載內的無功元件都會降低PF,使視在功率大于有用功率,從而導致效率降低。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(開關電源,Switching Mode Power Supply)比經過校正的SMPS 消耗的電流更高,因此在功率水平高于70 W 的條件下,立法要求設計人員添加電路將PF 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,然后使用脈寬調制(PWM) 來調節直流電平。

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    圖1 傳統(上)和(下)無橋圖騰柱PFC電路

    雖然這項技術效果很好且易于實施,但也存在一些挑戰?,F代效率標準(如嚴格的“80+ 鈦金標準”)要求在整個寬功率范圍內具有高效率,在50% 負載條件下的峰值效率需達到96%。由于PFC(Power Factor Correction,功率因數校正)級之后的DC-DC(直流-直流)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管來說是一個挑戰。

    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%?,F代(金屬-氧化物半導體場效應晶體管)具有出色的性能,但尚未達到理想開關的水平——即使并聯使用時也很難達到。因此,寬帶隙半導體開關將與圖騰柱PFC 拓撲攜手并進。

    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 被配置為圖騰柱高速開關橋臂時的反向恢復所致,當其體二極管在開關“死區”時間內導通時,必須耗盡相關的存儲電荷,損耗也來自于開關輸出電容的充電和放電。

    事實上,硅基 的動態損耗可能相當大,因此,設計人員越來越多地在TPPFC 應用中指定使用寬帶隙半導體材料,例如碳化硅(SiC) 和氮化鎵(GaN)器件。這些器件的附加優勢是更高工作頻率和高溫工作能力——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 能夠適用于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%),這在我們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于同等CrM 實現中的峰值電流。

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

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    圖2 NCP1680 提供了簡單而精巧的無代碼 TPPFC 解決方案

    其他挑戰

    解決了效率挑戰后,還需要克服最后一個障礙。需要同步驅動四個有源器件,并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,保持高功率因數并生成一個PWM 信號來調節輸出。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,鑒于所涉及的復雜性,最佳方法是在微控制器中實現控制算法。然而,這種方法可能很昂貴,而且需要生成并調試代碼,這是許多設計人員希望避免的領域。

    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勢,包括能夠提高性能水平、縮短設計時間和降低設計風險,同時無需采用微控制器和相關代碼。

    安森美提供的混合信號TPPFC 控制器NCP1680 在恒定導通時間的CrM 下工作,確保在整個負載范圍內實現高效率。NCP1680 可在輕負載條件下提供頻率折返期間的“谷底開關”,通過在最低電壓下進行開關操作來提高效率。數字電壓控制環路經過內部補償,可優化整個負載范圍內的性能,同時能夠確保設計過程保持簡單。

    這款創新的控制器采用小型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,無需外部霍爾效應傳感器即可提供出色的保護水平,從而降低復雜性、尺寸和成本。所有必要的控制算法都嵌入在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,在經濟價位下提供高性能。

    (本文來源于《電子產品世界》雜志2022年4月期)



    關鍵詞: 202204 MOSFET

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