以功率因数校正技术大幅降低功耗

随着家庭和各种工作场所对消费性电子和电脑用量的增加，功耗成本越来越受到重视。降低使用者设备功耗的需求，让设备内外的电源必需能够实现更高的能效。

对于从数百瓦到千瓦的AC-DC电源，其效率取决于功率因数校正（Power Factor Correction，PFC）的预稳压器级（Pre-regulator Stage）和后级的DC-DC转换器效率。尽管工程师今天已经能较深入地理解DC-DC转换器在成本和性能间的利弊得失，并知道如何在其中权衡轻重，但从电路和控制技术的角度来讲，PFC技术一直处于落后状态。不过，这种情势已经在最近开始改变。本文将讨论该技术领域的一些发展，以及电源设计工程师如何从中把握各种设计观点和建议。
　

AC-DC转换的损耗
AC-DC转换器中的功率损耗一般包括：
1. 升压二极管中的反向恢復（Reverse-Recovery）损耗；
2. 输入二极管桥的损耗；
3. EMI滤波器中的损耗；
4. PFC功率开关的损耗；
5. 电感/扼流线圈的损耗。

■1. 升压二极管中反向恢復的损耗
PFC转换器一般采用两种控制技术：连续电流模式（CCM）和边界模式（BCM），后者也称为转移模式（Transition Mode，TM）或者是临界传导模式（Critical Conduction Mode，CRM）。在CCM转换器中，控制IC用固定频率的PWM来调节升压电感的平均电流。在BCM转换器中，该电感电流在开关导通前可以回到零，因而是一个频率可变的控制方案。

当CCM转换器中的MOSFET导通时，由于仍有电感电流流经升压整流二极管，升压整流二极管将经历反向恢復过程（二极管内的反向电流消失之过程）。这将在主MOSFET M1中造成功率损耗。在BCM转换器中，电感电流在MOSFET导通时，基本上为零，从而即实现了软开关功能。因此，採用BCM控制技术的反向恢復损耗最小。

但采用BCM所得到的效益并非是没有代价的。BCM的峰值电感电流比CCM高出两倍；较高的峰值电感电流在MOSFET和二极管中会都造成更大的导通损耗，并在电感中造成更大的功率损耗。因此，BCM模式的转换器将会限制在输出功率介于250W到300W之间的应用中。

此外，二极管技术的改善已提高了CCM模式的 PFC转换器效率。碳化硅（SiC）整流二极管已经使反向恢復效应大幅降低，这将有助于问题的解决，但成本较高。超快速硅二极管产品也可以降低反向恢復损耗，但代价是导通损耗较高。

■2. 输入二极管桥的损耗
AC-DC转换器有一个采用由四个慢速恢復二极管构成的输入二极管桥整流器。这些二极管的功率损耗相当可观。因此，就有了所谓的＂无桥PFC（bridgeless-PFC）＂技术，即将图1中整流桥下面的两个二极管换成两个受控驱动的MOSFET，来当作升压开关（请注意：＂无桥＂一词可能不算恰当，因为输入二极管整流器仍然存在）。这些桥接二极管可以发挥升压二极管的作用，省掉传统技术中的升压二极管部件。从理论上来讲，这会提高效率，因为电流在某一时刻只流经两颗半导体器件，而不是三颗。

无桥PFC技术面临的问题是电流检测、EMI和输入电压检测。此外，桥式整流器中的主动开关器件现在必须受到保护，以免受到线瞬变的破坏。而且，由于必须采用较高速的二极管，在功率较高时，浪涌电流保护也是个问题。而采用最新的PFC控制技术，如採用电压模式控制的FAN7528或基于单迴圈控制技术的控制器，至少可以避开输入电压检测的问题。虽然可以采用常规技术，即用控制IC的单驱动信号来控制这两个桥的开关，但是为了获得最大的功效和较低的EMI，需要新的控制技术来实现各个功率开关的单独控制。

■3. EMI滤波器中的损耗
缩小电磁干扰（Electronic Magnetic Interference，EMI）滤波器的尺寸也能降低相应的损耗。由于在DC-DC转换器中采用了负载点处理器功率技术，即所谓 “隔相” 或 “交错通道” 技术，使用多个功率级的PFC转换器正逐渐被业界所接受。隔相技术可降低输入处的波纹电流，从而缩小EMI滤波器的尺寸。隔相技术还能缩小整个升压电感的尺寸，而且，由于电感被分开，也有助于改善散热的问题。

■4. PFC功率开关的损耗
为了降低开关损耗，可以考虑採用零电压开关（ZVS）或零电流开关（ZCS）技术。在BCM控制中（快捷半导体FAN7527B 和FAN7528控制器所采用的技术），主MOSFET开关在电流为零的情况下导通，由于减小了导通损耗，从而降低了功耗。这对低功率转换器来说是一大优点，但由于功率较大时，主要损耗是来自于导通损耗，所以这种优点只能体现在300W以下的应用中。

由于PFC前端的开关频率相对较低，因而有可能採用IGBT（绝缘栅双极性电晶体）来降低高功率下的导通损耗。不过，大多数应用仍然使用MOSFET，因为其开关损耗较低。

主MOSFET开关也可以在电压为零的情况下导通。这需要添加一些额外的电路，包括小功率MOSFET、整流器和电感（快捷半导体的FAN4822即采用了这些电路）。这些部件相当于为开关电路注入了某种 “小型提昇（Baby Boost）”；透过时序最佳化和利用谐振效应，使跨过主MOSFET开关的电压在导通前为零。虽然该方案看似很具吸引力，但电路拓朴却十分复杂。

■5. 电感/扼流线圈损耗
电感中的损耗可透过电感最小化来降低，并以提高有效开关频率来实现，即採用可外部设置开关频率的控制IC。这种方法的代价是：谐波成分提高，并可能需要更快（因此更贵）的二极管。另一个考虑因素是相位交错的各功率级；这些功率级具有抵消波纹电流的优点，可以让较高的峰值电流存在。峰值电流越大意味着需要的电感越小、需要的铜材也越少，因而每个扼流线圈的损耗也越低。未来发展趋势
即将流行的PFC技术是升压跟随型PFC（boost follower PFC），它可使输出电压随输入电压而改变。这种技术可提升AC线路的电压，实现其后的DC-DC转换器所要求的最低电压，从而提高PFC转换器的整体效率。但这将带出两个增加成本的因素：一是，DC-DC转换器的设计更复杂，因为它必须在更大的输入电压范围（例如200到 400VDC）内工作；其次是，不能使用那些输入电压范围窄的技术，如目前很受欢迎的LLC谐振半桥。

最后，针对某些新的控制技术如交叉和无桥PFC，目前缺乏新的可行的类比控制IC，这意味着数位控制可能是可取的选择方案。事实上，最近市场上已推出了至少三种数位控制的AC-DC电源。尽管许多产品的成本看似高不可攀，但至少在低功率应用领域，还是一个令人兴奋和值得关注的未来发展动向。结论
采用主动PFC技术的电源市场，预估将比通用AC-DC市场有更快的成长速度；市场对效率更高转换器的需求正在提高之中。然而，提高效率并不是没有代价的，必须在成本、部件数、可靠性和新技术之间考虑各种情况的得失，并找出平衡点（参见下表1）。仔细选择部件，并结合新的控制技术和更最佳化的工程能力，就可显着地提高PFC转换器的效率。（作者任职Fairchild快捷半导体公司）
　 损耗  解决方案 利弊考量升压二极管中的反向恢復损耗 如果输出功率小于300W， 考虑BCM PFC技术；采用控制IC，如FAN7527B。 波纹和峰值电流高，这意味着会有较高的导通损耗和需要较大的EMI滤波器。如果输出功率大于 300W，将几个BCM转换器并联，以达到所要求的功率。 电流分配问题；复杂性增加；两个非同步可变频率转换器之间可能会相互影响。输入二极管桥电路中的损耗  考虑 “无桥PFC” 技术，即使用现成的CCM控制IC，将单一栅极驱动分支，驱动两个同步FET。 需要防止线路上的电压瞬变；浪涌电流保护问题；目前还没有成熟的BCM控制技术；而且，还需要优化控制时序，以实现单一驱动栅极的分别驱动。 EMI滤波器中的损耗 考虑採用多个隔相功率级。 需要增加额外部件；功率级间的同步问题；电流分配问题。PFC MOSFET的损耗 采用ZVS 或 ZCS开关； 仔细选择功率开关。 可能增加成本和复杂性。电感/扼流线圈损耗 利用增加开关频率来减小电感。 会增加功耗；需要更快（因而更贵）的二极管。