為了節(jié)省能源，包括能源之星、拯救氣候，還有其他八十多項(xiàng)與運(yùn)算電源相關(guān)的計(jì)劃，都要求脫機(jī)式交流對(duì)直流(AC-DC)電源轉(zhuǎn)換器具備功率因子校正(PFC)功能，期發(fā)揮更高的效率。本文將分理論與實(shí)務(wù)兩方面評(píng)估PFC拓?fù)浼軜?gòu)，讓設(shè)計(jì)人員能根據(jù)系統(tǒng)需求選擇最適用的拓?fù)洹?/p>

　　為了節(jié)省能源，某些公營(yíng)事業(yè)公司及環(huán)保機(jī)構(gòu)研擬出許多方案與獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃，期望能夠使脫機(jī)式交流對(duì)直流(AC-DC)電源轉(zhuǎn)換器發(fā)揮更高的效率。為減少電線傳輸?shù)暮膿p，這些公司和機(jī)構(gòu)都要求脫機(jī)式轉(zhuǎn)換器具備功率因子校正(PFC)功能。這些方案包括能源之星(Energy Star)、拯救氣候(Climate Savers)，還有其他八十多項(xiàng)與運(yùn)算電源相關(guān)的計(jì)劃。這些計(jì)劃在本質(zhì)上相似，均都要求脫機(jī)式電源轉(zhuǎn)換器在負(fù)載從20%升高到100%時(shí)，發(fā)揮80%以上的效率，同時(shí)要求在滿負(fù)載時(shí)，其功率因子要達(dá)到0.9以上。

　　為了達(dá)到這些功率因子需求，設(shè)計(jì)人員須導(dǎo)入PFC預(yù)整流器(Pre-regulator)。目前已開發(fā)出兩項(xiàng)創(chuàng)新的PFC控制拓?fù)洌商嵘? PFC控制器的效率。第一種拓?fù)涫前霟o橋式PFC，可減少一半的橋式整流器耗損;第二種拓?fù)涫墙诲e(cuò)式PFC，可減少高達(dá)50%的轉(zhuǎn)換器I2R耗損。這兩項(xiàng)技術(shù)均須使用兩個(gè)升壓功率級(jí)來提升效率，因此，設(shè)計(jì)人員經(jīng)常要對(duì)這兩種拓?fù)浼軜?gòu)進(jìn)行抉擇。為了厘清這個(gè)問題，以下將分理論與實(shí)務(wù)兩方面評(píng)估，讓電源供應(yīng)設(shè)計(jì)人員能根據(jù)系統(tǒng)需求選擇最適用的拓?fù)洹?/p>

　　半無橋式PFC效率/電感尺寸難兼得

　　圖1為半無橋式PFC預(yù)整流器的電路拓?fù)鋱D。此拓?fù)漤毚钆鋬蓚€(gè)升壓功率級(jí)(Boost1及Boost2)以實(shí)現(xiàn)PFC，升壓電感直接連接到轉(zhuǎn)換器的輸入。此一拓?fù)湟岔毑捎萌ㄕ髌?DA、DB、DC及DD)，使一般PFC升壓電容(CBOOST)在最初的通電時(shí)間可達(dá)到最高電量。然而，在升壓電容的電量達(dá)到最高，轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)運(yùn)作之后，電源轉(zhuǎn)換器在每一次二極管網(wǎng)橋傳導(dǎo)期間，只會(huì)有一個(gè)整流器二極管(DA或DB)處于工作狀態(tài)，不像在全橋式拓?fù)渲?，一般?huì)有兩個(gè)二極管同時(shí)進(jìn)行傳導(dǎo)。這與以兩個(gè)橋式整流器二極管進(jìn)行傳導(dǎo)的傳統(tǒng)PFC升壓相當(dāng)不同。這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)可免除一個(gè)整流器二極管所產(chǎn)生的傳導(dǎo)損耗而提升效率，進(jìn)而提升整體系統(tǒng)的效率。

圖1　半無橋式PFC預(yù)整流器與其電路拓?fù)?/p>

　　半無橋式PFC雖可提升系統(tǒng)的運(yùn)作效率，但也有較傳統(tǒng)PFC預(yù)整流器更復(fù)雜的缺陷，且設(shè)計(jì)人員必須使用更大的電感組件。如果深入探究傳統(tǒng)PFC升壓預(yù)整流器的電感區(qū)域乘積(WaAcT)及半無橋式PFC預(yù)整流器的整體電感乘積(WaAcS)，即可看出這一點(diǎn)。

　　磁性設(shè)計(jì)人員透過以繞組(Winding)區(qū)域(Wa)及核心橫截面區(qū)域(Ac)為基礎(chǔ)的區(qū)域乘積計(jì)算來選取磁性核心。公式1～3計(jì)算半無橋式及傳統(tǒng) PFC預(yù)整流器的電感區(qū)域總乘積，其中L是PFC升壓電感，IP是峰值PFC輸入電流，ILRMS是均方根(RMS)電流的PFC電感，變量CD表示所設(shè)計(jì)電感的電流密度，變量ΔB表示電感中磁通量密度(Flux Density)的變化，Ku表示磁性階段繞組效率。

　　從這些區(qū)域乘積的等式中，可看出半無橋式PFC電感乘積的區(qū)域總乘積大約比傳統(tǒng)PFC預(yù)整流器的區(qū)域乘積高出1.414倍。亦即半無橋式PFC的總磁量比使用單一升壓功率級(jí)的傳統(tǒng)PFC預(yù)整流器至少高出1.4倍。

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　　交錯(cuò)式PFC具備低EMI/小尺寸優(yōu)勢(shì)

　　交錯(cuò)式PFC預(yù)整流器則是將兩個(gè)升壓功率級(jí)交錯(cuò)。這項(xiàng)控制技術(shù)須使兩個(gè)經(jīng)過功率因素校正的升壓功率級(jí)保持180度反相運(yùn)作。此一拓?fù)渚哂卸囗?xiàng)優(yōu)點(diǎn)，因此受到廣泛運(yùn)用，其中一項(xiàng)主要的優(yōu)點(diǎn)是可以消除輸入及輸出電感鏈波電流。如果設(shè)計(jì)得宜，亦有助于降低整體升壓電感及/或電磁波干擾(EMI)磁量。消除輸出電感鏈波電流可減少升壓電容均方根電流，使電容體積縮小25%以上。讀者須特別注意，此處所指的電容體積縮小不是指升壓電容體積可以縮小，因?yàn)樯龎弘娙菀话闶怯裳舆t時(shí)間及輸出功率所決定。圖2為交錯(cuò)式PFC預(yù)整流器示意圖。

圖2　交錯(cuò)式PFC預(yù)整流器與其電路拓?fù)?/p>

　　交錯(cuò)式PFC預(yù)整流器會(huì)將傳導(dǎo)損耗分散于兩個(gè) PFC升壓功率級(jí)(PCONDUCTION_INTERLEAVED)。相較于使用傳統(tǒng)單一升壓功率級(jí)PFC，設(shè)計(jì)人員可使用交錯(cuò)式PFC減少將近一半的傳導(dǎo)損耗。如果深入探討交錯(cuò)式PFC升壓的簡(jiǎn)化傳導(dǎo)耗損等式，以及傳統(tǒng)單一升壓功率級(jí)PFC預(yù)整流器的簡(jiǎn)化傳導(dǎo)耗損等式 (PCONDUCTION_TRADITIONAL)，即可看出這一點(diǎn)(公式4～6)。

　　將PFC預(yù)整流器交錯(cuò)可減少升壓電感的總磁量，為了證實(shí)這一點(diǎn)，可深入探究交錯(cuò)式PFC預(yù)整流器內(nèi)兩個(gè)電感的總電感區(qū)域乘積(WaAcI)，以及傳統(tǒng) PFC預(yù)整流器升壓電感的區(qū)域總乘積。從公式7與公式8可看出交錯(cuò)式的總區(qū)域乘積是傳統(tǒng)PFC升壓電感區(qū)域總乘積的一半。實(shí)際上，交錯(cuò)式PFC預(yù)整流器兩個(gè)電感的總升壓電感量會(huì)比傳統(tǒng)PFC升壓電感的電感量少32%。

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　　半無橋/交錯(cuò)式拓?fù)涓魃脛賵?chǎng)

　　交錯(cuò)式及半無橋式PFC的效率表現(xiàn)均可圈可點(diǎn)。半無橋式PFC可減少系統(tǒng)中橋式整流器一半的耗損進(jìn)而提升效率，交錯(cuò)式PFC可分散電源而降低一半預(yù)整流器的傳導(dǎo)耗損。為評(píng)估使用交錯(cuò)式及半無橋式PFC所能實(shí)現(xiàn)的效率提升，筆者實(shí)際進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，將300瓦的轉(zhuǎn)換模式(Transition Mode)交錯(cuò)式PFC預(yù)整流器系統(tǒng)修改成150瓦，并將之與150瓦半無橋式PFC預(yù)整流器和傳統(tǒng)單一升壓功率級(jí)150瓦轉(zhuǎn)換模式PFC預(yù)整流器一起比較，以了解三種預(yù)整流器拓?fù)鋸?0瓦負(fù)載升高到150瓦滿負(fù)載的效率變化。

　　為使具備恒定通導(dǎo)時(shí)間的交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換模式PFC預(yù)整流器能在圖1所示的轉(zhuǎn)換模式半無橋式拓?fù)湎逻\(yùn)　作，筆者額外設(shè)計(jì)了一套外部電路(圖3)，讓交錯(cuò)式PFC預(yù)整流器的各個(gè)電感能在半無橋式拓?fù)渲羞_(dá)到零電流偵測(cè)(Zero Current Detection)。此電路可用于大多數(shù)單一升壓功率級(jí)的恒定通導(dǎo)時(shí)間轉(zhuǎn)換模式PFC控制器，進(jìn)而得以用于半無橋式轉(zhuǎn)換模式PFC預(yù)整流器。

圖3　將交錯(cuò)式拓?fù)滢D(zhuǎn)換為半無橋式轉(zhuǎn)換模式所需的額外電路

　　圖4即為此一實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。為了使比較的基礎(chǔ)一致，各個(gè)場(chǎng)效晶體管(FET)都是以一個(gè)離散的1.5安培閘極驅(qū)動(dòng)電路加以驅(qū)動(dòng)，因此場(chǎng)效晶體管在這三種拓?fù)涠寄苓_(dá)到相同的升高與降低時(shí)間。從圖4可看出，傳統(tǒng)及半無橋式PFC預(yù)整流器在輕負(fù)載時(shí)所發(fā)揮的效率高于交錯(cuò)式 PFC預(yù)整流器，因?yàn)樵谳p負(fù)載下驅(qū)動(dòng)兩個(gè)場(chǎng)效晶體管時(shí)，其切換耗損相當(dāng)嚴(yán)重。關(guān)閉輕負(fù)載條件下的相位，可提升PFC預(yù)整流器的輕負(fù)載效率，進(jìn)而達(dá)到近似傳統(tǒng)預(yù)整流器的輕負(fù)載效率。

圖4　三種PFC預(yù)整流器效率比較

　　當(dāng)系統(tǒng)處于150瓦滿載狀態(tài)下時(shí)，由于傳導(dǎo)損耗相當(dāng)嚴(yán)重，因此傳統(tǒng)PFC預(yù)整流器的效率最低。半無橋式PFC預(yù)整流器的滿載效率略優(yōu)于傳統(tǒng)PFC預(yù)整流器，效率大約高出0.7%，但仍低于交錯(cuò)式PFC預(yù)整流器的1.3%，因此交錯(cuò)式PFC預(yù)整流器的滿載效率是最佳的。

　　高功率密度應(yīng)用宜采交錯(cuò)式PFC

　　根據(jù)筆者的評(píng)估與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，半無橋式PFC預(yù)整流器確實(shí)比傳統(tǒng)單一升壓功率級(jí)PFC預(yù)整流器更有效率，然而，半無橋式PFC的電感總量比傳統(tǒng)PFC升壓電感至少高出1.4倍，因此嚴(yán)重影響預(yù)整流器的功率密度。

　　在所評(píng)估的三種拓?fù)渲?，半無橋式PFC可發(fā)揮最大的輕負(fù)載效率，而在傳導(dǎo)損耗相當(dāng)嚴(yán)重且轉(zhuǎn)換器須散熱的滿負(fù)載情況下，交錯(cuò)式PFC預(yù)整流器的效率最高。 整體來說，交錯(cuò)式PFC預(yù)整流器所發(fā)揮的優(yōu)點(diǎn)，遠(yuǎn)高于半無橋式及傳統(tǒng)PFC拓?fù)洹＝逵山档碗姼屑半姶挪ǜ蓴_總磁量，交錯(cuò)式PFC預(yù)整流器可在設(shè)計(jì)中達(dá)到最高的功率密度，而且比起傳統(tǒng) PFC更能縮小電容體積。此外，利用交錯(cuò)可減少一半的傳導(dǎo)損耗，并且能縮小散熱器體積，進(jìn)而達(dá)到較高的功率密度。