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為了最大限度地提高交流市電供電設備（包括 AC/DC 電源、電池充電器、基于電池的儲能系統、電機驅動器和不間斷電源）的效率，功率因數校正 (PFC) 必不可少。其重要性在于，一些法規規定了特定類型電子設備的最低功率因數 (PF) 水平。 設計人員面對在不斷縮小的外形尺寸內提高整體性能的持續壓力，為了符合這些法規，他們正在轉向利用數字控制技術和寬帶隙半導體（如碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN)）進行有源 PFC 設計。 本文回顧了 PF 的概念和定義，包括 IEEE 和 IEC 及相關標準之間的不同定義。然后介紹來自 STMicroelectronics、Transphorm、Microchip Technology 和 Infineon Technologies 等供應商的 PFC 解決方案，設計人員可使用這些解決方案實現采用寬帶隙半導體和數字控制的 PFC，包括使用評估板。 什么是功率因數校正，為什么需要它？ PF 是反映系統中無功功率水平的指標。無功功率不是真正的功率，而是代表彼此異相的電壓和電流影響（圖 1）。由于它們是異相的，因此不能為工作做出有效的貢獻，但仍然表現為交流市電供電線的負載。系統中無功功率的大小是衡量能量傳輸效率低下程度的一個指標。有源 PFC 利用電力電子技術改變負載所消耗的電流波形的相和/或形狀，以提高 PF。PFC 的使用提高了整體系統效率。 
圖 1：PF 定義為 θ 的余弦，代表負載吸收的實際功率與電路中流動的視在功率之比。兩者之間的差異源自于無功功率。隨著無功功率接近于零，負載表現出更純粹的電阻性，視在功率和實際功率變得相等，PF 變為 1.0。（圖片來源：維基百科） 線性或非線性負載中都可能出現不良 PF。非線性負載會使電壓波形或電流波形失真，或兩者都失真。當涉及非線性負載時，稱為失真 PF。 線性負載不會使輸入波形的形狀失真，但可能會因其電感和/或電容而改變電壓和電流之間的相對時序（相位）（圖 2）。若電路主要包含電阻負載（例如，白熾燈和加熱元件），則具有接近 1.0 的 PF，但若包含感性或容性負載（例如，開關模式電源轉換器、電動機、電磁閥、變壓器和燈鎮流器），則具有遠低于 1.0 的 PF。
圖 2：根據交流電壓和電流以及 0.71 的滯后 PF（即電流滯后于電壓）計算出的線性負載的瞬時和平均功率。（圖片來源：CUI, Inc.） 大多數電子負載不是線性的。非線性負載的實例包括開關模式電源轉換器和電弧放電裝置，如熒光燈、電焊機或電弧爐。由于這些系統中的電流因開關動作而中斷，所以電流中含有的頻率分量是電源系統頻率的倍數。失真 PF 是衡量負載電流的諧波失真對傳輸到負載的平均功率的降低程度指標。
圖 3：正弦電壓（黃色）和非正弦電流（藍色）為該計算機電源（屬于非線性負載）帶來了 0.75 的失真 PF。（圖片來源：維基百科） 滯后與超前 PF 的區別 滯后 PF 表示電流滯后于電壓，超前 PF 表示電流領先于電壓。對于感性負載（例如感應電機、線圈和某些燈），電流滯后于電壓，從而產生滯后 PF。對于容性負載（例如同步調相機、電容器組和電子電源轉換器），電流領先于電壓，從而導致超前 PF。 滯后或超前的區別不等于正值或負值。PF 值前面的正負號是由所用的標準（IEC 或 IEEE）決定。 PF 以及 IEEE 與 IEC 比較 圖 4 中的圖表顯示了 IEEE 和 IEC 標準下千瓦 (kW) 功率、伏安無功 (var) 功率、功率因數和感性或容性負載之間的相關性。每個組織使用不同的度量標準對 PF 進行分類。
圖 4：根據 IEC 的規定（左圖），功率因數符號僅取決于實際功率流的方向，與負載是感性還是容性無關。根據 IEEE 的規定（右圖），功率因數符號僅取決于負載的性質（即容性還是感性）。在這種情況下，它與實際功率流的方向無關。（圖片來源：Schneider Electric） 根據 IEC 的規定（圖 4 中的左圖），PF 符號僅取決于實際功率流的方向，與負載是感性還是容性無關。根據 IEEE 的規定（圖 4 中的右圖），PF 符號僅取決于負載的性質（即容性還是感性）。在這種情況下，它與實際功率流的方向無關。對于感性負載，PF 為負。對于容性負載，PF 為正。 PF 標準 歐盟等監管機構已設定了諧波限值，以提高 PF。為了符合現行歐盟標準 EN61000-3-2（基于 IEC 61000-3-2），輸出功率大于 75 W 的所有開關模式電源必須包括 PFC。EnergyStar 的 80 PLUS 電源認證要求額定輸出功率 100% 時的 PF 為 0.9 或更高，并且要求采用有源 PFC。在撰寫本文時，IEC 標準的最新版本是：IEC 61000-3-2:2018，“電磁兼容性 (EMC) - 第 3-2 部分：限制 - 諧波電流發射限制（設備每相輸入電流 ≤ 16 A）”。 未經校正的開關模式電源轉換器不符合當前的 PFC 標準。一個 PF 影響因素是使用的交流輸入類型：單相還是三相。未經校正的單相開關電源通常具有約 0.65 至 0.75 的 PF（使用上述 IEEE 的 PF 符號約定）。這是因為大多數電源使用整流器/電容器前端來產生直流總線電壓。這種配置僅在每個線路周期的峰值處汲取電流，從而產生狹窄的高電流脈沖，導致較差的 PF（參見上面的圖 3）。 未經校正的三相開關模式電源轉換器具有更高的 PF，通常接近 0.85（同樣使用 IEEE 的 PF 符號約定）。這是因為，即使利用整流器/電容來產生直流總線電壓，也有三相可以額外提高總體 PF。但是，無論是單相還是三相開關模式電源轉換器，如果不使用有源 PF 校正電路，都無法滿足現行 PF 法規要求。 利用 WBG 半導體和數字控制元件設計有源 PFC 利用數字控制技術和寬帶隙功率半導體（包括 GaN 和 SiC），設計人員有了新的有源 PFC 電路每相。與基于模擬控制的有源 PFC 設計或無源 PFC 設計相比，這些電路可以提供更高的效率和功率密度。 設計人員可以用先進的數字控制技術來取代模擬控制器，或者用額外的數字控制元件（包括微控制器）來補充模擬控制，以實現最大的 PFC 性能。在某些情況下，WBG 半導體也可用于提高 PFC 性能。 元器件成本的下降加速了兩種不同 PFC 方法的實現：交錯設計和無橋設計。每種方法具有不同的優勢： · 交錯式 PFC 的優勢： 效率更高 改善熱分布 減小了通過 PFC 級的 RMS 電流 模塊化 · 無橋 PFC 的優勢： 效率更高 輸入整流損耗減半 改善熱分布 更高的功率密度 三通道交錯式 PFC 控制器組合利用了模擬與數字控制技術 STMicroelectronics 的 STNRGPF01 控制器是一款可配置 ASIC，組合利用了數字和模擬控制技術，一個交錯式 PFC 最多可驅動的三個通道（圖 5）。該器件工作在固定頻率的連續導通模式 (CCM) 下，采用平均電流模式控制，并實現了混合信號（模擬/數字）控制。模擬內部電流回路由硬件執行，確保逐周期調節。外部電壓回路由數字式比例積分 (PI) 控制器執行，具有快速動態響應。
圖 5：STNRGPF01 的功能框圖顯示了三相交錯式 PFC 應用中的內部模擬控制部分（紅色）和外部數字控制部分（綠色）。（圖片來源：STMicroelectronics） STNRGPF01 實現了靈活的切相策略，可以根據實際負載情況正確地設置 PFC 通道數。利用此功能，STNRGPF01 始終能夠在各種負載電流要求下保證最高的電源效率。 該控制器實現了幾個功能：涌流控制、軟啟動、猝發模式冷卻管理和狀態指示。另外還具有全套嵌入式過壓、過流和熱故障保護功能。 為了幫助設計人員入門，STMicroelectronics 還提供了基于 STNRGPF01 的 STEVAL-IPFC01V1 3 kW PFC 電源管理評估板（圖 6）。特性和規格包括： · 輸入電壓范圍：90 至 265 VAC · 線路頻率范圍：47 至 63 Hz · 最大輸出功率：230 V 時 3 kW · 輸出電壓：400 V · PF：20% 負載下 >0.98 · 總諧波失真：20% 負載下 <5% · 混合信號控制 · 開關頻率：111 kHz · 逐周期調節（模擬電流控制回路） · 輸入電壓和負載前饋 · 切相 · 猝發模式操作
圖 6：STEVAL-IPFC01V1 框圖顯示：1.I/O 測量信號；2.模擬電路；3.功率級；4.采用 STNRGPF01 數字控制器的數字控制部分；在三相交錯式 PFC 中。（圖片來源：STMicroelectronics） 除 STNRGPF01 混合信號控制器外，該評估板還包括 STW40N60M2 N 溝道 600 V 34 A 低 Qg 硅功率 MOSFET 和 PM8834TR 柵極驅動器 IC。 采用 GaN FET 的無橋圖騰柱 PFC 無橋 PFC 拓撲的開發目的是為了消除與使用二極管橋式整流相關的壓降和低效率。由于 GaN 和 SiC 等 WBG 功率半導體的出現，無橋圖騰柱 PFC 得以實現（圖 7）。在傳統的圖騰柱設計 (a) 中，兩個 GaN FET 和兩個二極管用于線路整流。在無橋圖騰柱改型 (b) 中，二極管被兩個低電阻硅 MOSFET 取代，以消除二極管的電流-電壓 (IV) 降，從而提高效率。
圖 7：在傳統圖騰柱設計 (a) 中，兩個 GaN FET 和兩個二極管用于線路整流；在改進的電路 (b) 中，二極管被兩個低電阻硅 MOSFET 取代，以消除二極管的電流-電壓降，從而提高無橋圖騰柱的效率。（圖片來源：Transphorm） 與硅 MOSFET 相比，GaN 高電子遷移率晶體管 (HEMT) 的反向恢復電荷 (Qrr) 要小得多，這使無橋圖騰柱設計非常實用（圖 8）。在這個采用 CCM 模式的圖騰柱 PFC 的簡化示意圖中，重點是使傳導損耗最小化。
圖 8：采用 CCM 模式的圖騰柱 PFC 簡化示意圖包括兩個以高脈沖寬度調制頻率工作的快速開關 GaN HEMT（Q1 和 Q2）（用作升壓轉換器），以及兩個以慢得多的線路頻率 (50Hz/60Hz) 工作較低電阻 MOSFET（S1 和 S2）。（圖片來源：Transphorm） 電路包括兩個快速開關 GaN HEMT（Q1 和 Q2）和兩個較低電阻 MOSFET（S1 和 S2）。Q1 和 Q2 在高脈沖寬度調制 (PWM) 頻率下工作，用作升壓轉換器。S1 和 S2 在慢得多的線路頻率 (50 Hz/60 Hz) 下工作，用作同步整流器。初級電流路徑僅包括一個快速開關和一個慢速開關，沒有二極管壓降。S1 和 S2 的作用是同步整流器，如 8(b) 和 8(c) 所示。在正交流周期期間，S1 導通，S2 關斷，使連接到負端的交流零線連接到直流輸出。負周期情況則相反。 為了實現 CCM 操作模式，從晶體管的體二極管必須充當反激二極管，以使電感電流在空載時間內流動。但是，一旦主開關導通，二極管電流必須迅速降至零并轉換至反向阻斷狀態。這就是圖騰柱 PFC 的關鍵過程，其中由于高壓硅 MOSFET 體二極管具有高 Qrr，因而會導致異常尖峰、不穩定和相關的高開關損耗。GaN 開關的低 Qrr 允許設計人員克服這一障礙。 設計人員可以使用 Transphorm 的 TDTTP4000W066C 4 kW 無橋圖騰柱 PFC 評估板，來研究電路的運行情況。該評估板使用 Microchip Technology 的 MA330048 dsPIC33CK256MP506 數字電源插件模塊 (PIM) 作為控制器。Transphorm 的第四代 (SuperGaN) TP65H035G4WS GaN FET 實現了較高效率的單相轉換。在電路的快速開關分支電路中采用 Transphorm 的 GaN FET，在慢速開關分支點路中采用低電阻 MOSFET 將使性能和效率同時獲得提升。 雙向圖騰柱 PFC 組合利用了硅 FET 和 SiC FET 對于電網交互式電池電動汽車和電池儲能系統的設計人員，Infineon 提供了 EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 評估板，這是一款具有雙向功率能力的 3300 W 圖騰柱 PF 校正器（圖 9）。該無橋圖騰柱 PFC 板實現了 72 瓦/立方英寸的高功率密度。EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 板上實現的圖騰柱在整流器 (PFC) 和逆變器模式下均工作于 CCM 模式，并使用 Infineon 的 XMC1000 系列微控制器實現全數字控制。
圖 9：EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 3300 W 圖騰柱 PFC 評估板框圖顯示了讓板實現指定 72 瓦/立方英寸功率密度的拓撲結構。（圖片來源：Infineon Technologies） 這個圖騰柱 PFC 結合利用 Infineon 的 IMZA65R048M1 64 毫歐 (mΩ)，650 V，CoolSiC SiC MOSFET 及其 IPW60R017C7 17 mΩ、600 V、CoolMOS C7 硅功率 MOSFET。該轉換器專門以 CCM 模式工作在高壓線路（最低 176 Vrms，標稱 230 Vrms）上，開關頻率為 65 kHz，半載時效率最高可達 99%。這款 3300 W 雙向（PFC/AC-DC 和逆變器/AC-DC）圖騰柱解決方案中使用的其他 Infineon 器件包括： · 2EDF7275FXUMA1 隔離式柵極驅動器 · ICE5QSAGXUMA1 QR 反激控制器，帶 IPU95R3K7P7 950 V CoolMOS P7 MOSFET，用于偏置輔助電源 · XMC1404 微控制器，用于實現 PFC 控制 總結 低 PF 會給公用電網和電源轉換器帶來效率低下的問題，因此 PFC 對于各種交流市電設備來說必不可少，并且法規規定了特定類型電子設備的最低 PF 水平。為了在滿足更小外形尺寸和更高性能要求的同時符合這些法規要求，設計人員需要一個能替代簡單、低成本無源 PFC 技術的方案。 如本文所述，設計人員可以使用數字控制技術及 SiC 和 GaN 等 WBG 半導體實現有源 PFC 設計，從而讓設計實現更高的 PF 和更緊湊的外形。 來源：Digi-Key 作者：Jeff Shepard |
