電網(wǎng)以交流電的形式提供電能，但我們使用的大多數(shù)設(shè)備都需要直流電，這意味著進行這種轉(zhuǎn)換的交流/直流電源是電網(wǎng)上最常見的負載之一。隨著世界關(guān)注能源效率以保護環(huán)境和管理運營成本，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提供給負載的功率之間的比率的度量是眾所周知的。然而，輸入功率因數(shù) (PF) 也有很大的影響。PF 描述了任何交流供電設(shè)備（包括電源）消耗的有用（真實）功率與總（表觀）功率（以千伏安為單位）之間的比率。PF 衡量消耗的電能轉(zhuǎn)換為有用功輸出的效率。

如果負載是純電阻性的，則 PF 將為單位，但負載內(nèi)的任何無功元件都會降低 PF，使視在功率大于有用功率，從而導致效率降低。

小于 1 的 PF 是由電壓和電流異相引起的——這在感性負載中很常見。這也可能是由于高諧波含量或失真的電流波形，這在開關(guān)模式電源 (SMPS) 或其他類型的不連續(xù)電子負載中很常見。

修正 PF

許多沒有功率因數(shù)校正 (PFC) 的 SMPS 比校正后的 SMPS 消耗更高的電流，因此在 70 W 以上的功率水平下，立法要求設(shè)計人員整合電路以將 PF 校正到接近于 1 的值。有源 PFC 最常見的技術(shù)使用升壓轉(zhuǎn)換器將整流后的電源轉(zhuǎn)換為高直流電平，然后使用脈寬調(diào)制 (PWM) 來調(diào)節(jié)直流電平。

雖然這項技術(shù)運作良好且易于實施，但也存在一些挑戰(zhàn)?，F(xiàn)代效率標準（例如嚴格的“80+ 鈦標準”）要求在寬功率范圍內(nèi)具有高效率，并且在 50% 負載時峰值效率高達 96%。由于 PFC 級之后的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器通常表現(xiàn)出 2% 的損耗，線路整流和 PFC 級本身只能損失 2%——這對橋式整流器中的二極管來說是一個挑戰(zhàn)。

但是，如果用同步整流器代替升壓二極管（D5），效率會有所提高。此外，只需要兩線整流二極管，這些也可以是同步整流器（Q3，Q4），進一步提高了效率。這種技術(shù)被稱為圖騰柱 PFC (TPPFC)，通過理想的電感器和完美的開關(guān)，效率可以接近 100%?，F(xiàn)代 MOSFET 提供了出色的性能，但沒有達到理想開關(guān)的水平——即使在并聯(lián)使用時也是如此。因此，寬帶隙 (WBG) 半導體開關(guān)將與 TPPFC 拓撲齊頭并進。

圖 1：傳統(tǒng)（左）和（右）無橋 TPPFC 電路

解決損失

隨著開關(guān)頻率越來越高的趨勢，開關(guān)器件的動態(tài)損耗會產(chǎn)生更大的影響。這些損耗是由于 MOSFET 在配置為圖騰柱快腿的開關(guān)時的反向恢復(fù)，當它的體二極管在開關(guān)“死區(qū)”時間內(nèi)導通并且相關(guān)的存儲電荷必須耗盡時，以及來自電荷和開關(guān)輸出電容的放電。

事實上，硅 MOSFET 的動態(tài)損耗可能很大，因此設(shè)計人員越來越多地在 TPPFC 應(yīng)用中指定 WBG 半導體材料，例如碳化硅和氮化鎵器件。這些具有更高頻率運行和在高溫下工作的能力的額外好處——這兩個在電源應(yīng)用中非常有用的特性。

臨界傳導模式 (CrM) 通常是 TPPFC 的首選傳導模式，尤其是高達幾百瓦的功率，在效率和電磁干擾性能之間提供了良好的折衷。連續(xù)導通模式 (CCM) 進一步降低了開關(guān)中的 RMS 電流和導通損耗，使 TPPFC 可用于千瓦級功率應(yīng)用。

即使使用 CrM，在輕負載時效率也會顯著下降（高達 10%），這在嘗試滿足待機或空載能耗限制時提出了真正的挑戰(zhàn)。一種解決方案是鉗制或“折回”最大允許頻率，從而在輕負載時強制電路進入非連續(xù)導通模式 (DCM)，其中較高的峰值電流低于等效 CrM 實現(xiàn)中的峰值電流。

將 TPPFC 與 CrM 操作和頻率鉗位相結(jié)合可提供良好的中等功率解決方案，該解決方案可在整個負載范圍內(nèi)提供良好的效率，尤其是當 WBG 開關(guān)用于高頻支路時。

　　審核編輯：湯梓紅