|
為了最大限度地提高交流市電供電設(shè)備（包括 AC/DC 電源、電池充電器、基于電池的儲(chǔ)能系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和不間斷電源）的效率，功率因數(shù)校正 (PFC) 必不可少。其重要性在于，一些法規(guī)規(guī)定了特定類型電子設(shè)備的最低功率因數(shù) (PF) 水平。 設(shè)計(jì)人員面對(duì)在不斷縮小的外形尺寸內(nèi)提高整體性能的持續(xù)壓力，為了符合這些法規(guī)，他們正在轉(zhuǎn)向利用數(shù)字控制技術(shù)和寬帶隙半導(dǎo)體（如碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN)）進(jìn)行有源 PFC 設(shè)計(jì)。 本文回顧了 PF 的概念和定義，包括 IEEE 和 IEC 及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)之間的不同定義。然后介紹來自 STMicroelectronics、Transphorm、Microchip Technology 和 Infineon Technologies 等供應(yīng)商的 PFC 解決方案，設(shè)計(jì)人員可使用這些解決方案實(shí)現(xiàn)采用寬帶隙半導(dǎo)體和數(shù)字控制的 PFC，包括使用評(píng)估板。 什么是功率因數(shù)校正，為什么需要它？ PF 是反映系統(tǒng)中無功功率水平的指標(biāo)。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(xiàn)，但仍然表現(xiàn)為交流市電供電線的負(fù)載。系統(tǒng)中無功功率的大小是衡量能量傳輸效率低下程度的一個(gè)指標(biāo)。有源 PFC 利用電力電子技術(shù)改變負(fù)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(tǒng)效率。 
圖 1：PF 定義為 θ 的余弦，代表負(fù)載吸收的實(shí)際功率與電路中流動(dòng)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(fù)載表現(xiàn)出更純粹的電阻性，視在功率和實(shí)際功率變得相等，PF 變?yōu)?1.0。（圖片來源：維基百科） 線性或非線性負(fù)載中都可能出現(xiàn)不良 PF。非線性負(fù)載會(huì)使電壓波形或電流波形失真，或兩者都失真。當(dāng)涉及非線性負(fù)載時(shí)，稱為失真 PF。 線性負(fù)載不會(huì)使輸入波形的形狀失真，但可能會(huì)因其電感和/或電容而改變電壓和電流之間的相對(duì)時(shí)序（相位）（圖 2）。若電路主要包含電阻負(fù)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(fù)載（例如，開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器、電動(dòng)機(jī)、電磁閥、變壓器和燈鎮(zhèn)流器），則具有遠(yuǎn)低于 1.0 的 PF。
圖 2：根據(jù)交流電壓和電流以及 0.71 的滯后 PF（即電流滯后于電壓）計(jì)算出的線性負(fù)載的瞬時(shí)和平均功率。（圖片來源：CUI, Inc.） 大多數(shù)電子負(fù)載不是線性的。非線性負(fù)載的實(shí)例包括開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器和電弧放電裝置，如熒光燈、電焊機(jī)或電弧爐。由于這些系統(tǒng)中的電流因開關(guān)動(dòng)作而中斷，所以電流中含有的頻率分量是電源系統(tǒng)頻率的倍數(shù)。失真 PF 是衡量負(fù)載電流的諧波失真對(duì)傳輸?shù)截?fù)載的平均功率的降低程度指標(biāo)。
圖 3：正弦電壓（黃色）和非正弦電流（藍(lán)色）為該計(jì)算機(jī)電源（屬于非線性負(fù)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(qū)別 滯后 PF 表示電流滯后于電壓，超前 PF 表示電流領(lǐng)先于電壓。對(duì)于感性負(fù)載（例如感應(yīng)電機(jī)、線圈和某些燈），電流滯后于電壓，從而產(chǎn)生滯后 PF。對(duì)于容性負(fù)載（例如同步調(diào)相機(jī)、電容器組和電子電源轉(zhuǎn)換器），電流領(lǐng)先于電壓，從而導(dǎo)致超前 PF。 滯后或超前的區(qū)別不等于正值或負(fù)值。PF 值前面的正負(fù)號(hào)是由所用的標(biāo)準(zhǔn)（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(biāo)準(zhǔn)下千瓦 (kW) 功率、伏安無功 (var) 功率、功率因數(shù)和感性或容性負(fù)載之間的相關(guān)性。每個(gè)組織使用不同的度量標(biāo)準(zhǔn)對(duì) PF 進(jìn)行分類。
圖 4：根據(jù) IEC 的規(guī)定（左圖），功率因數(shù)符號(hào)僅取決于實(shí)際功率流的方向，與負(fù)載是感性還是容性無關(guān)。根據(jù) IEEE 的規(guī)定（右圖），功率因數(shù)符號(hào)僅取決于負(fù)載的性質(zhì)（即容性還是感性）。在這種情況下，它與實(shí)際功率流的方向無關(guān)。（圖片來源：Schneider Electric） 根據(jù) IEC 的規(guī)定（圖 4 中的左圖），PF 符號(hào)僅取決于實(shí)際功率流的方向，與負(fù)載是感性還是容性無關(guān)。根據(jù) IEEE 的規(guī)定（圖 4 中的右圖），PF 符號(hào)僅取決于負(fù)載的性質(zhì)（即容性還是感性）。在這種情況下，它與實(shí)際功率流的方向無關(guān)。對(duì)于感性負(fù)載，PF 為負(fù)。對(duì)于容性負(fù)載，PF 為正。 PF 標(biāo)準(zhǔn) 歐盟等監(jiān)管機(jī)構(gòu)已設(shè)定了諧波限值，以提高 PF。為了符合現(xiàn)行歐盟標(biāo)準(zhǔn) EN61000-3-2（基于 IEC 61000-3-2），輸出功率大于 75 W 的所有開關(guān)模式電源必須包括 PFC。EnergyStar 的 80 PLUS 電源認(rèn)證要求額定輸出功率 100% 時(shí)的 PF 為 0.9 或更高，并且要求采用有源 PFC。在撰寫本文時(shí)，IEC 標(biāo)準(zhǔn)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(fā)射限制（設(shè)備每相輸入電流 ≤ 16 A）”。 未經(jīng)校正的開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器不符合當(dāng)前的 PFC 標(biāo)準(zhǔn)。一個(gè) PF 影響因素是使用的交流輸入類型：?jiǎn)蜗噙�是三相。未經(jīng)校正的單相開關(guān)電源通常具有約 0.65 至 0.75 的 PF（使用上述 IEEE 的 PF 符號(hào)約定）。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)電源使用整流器/電容器前端來產(chǎn)生直流總線電壓。這種配置僅在每個(gè)線路周期的峰值處汲取電流，從而產(chǎn)生狹窄的高電流脈沖，導(dǎo)致較差的 PF（參見上面的圖 3）。 未經(jīng)校正的三相開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器具有更高的 PF，通常接近 0.85（同樣使用 IEEE 的 PF 符號(hào)約定）。這是因?yàn)椋词估谜髌?電容來產(chǎn)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(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器，如果不使用有源 PF 校正電路，都無法滿足現(xiàn)行 PF 法規(guī)要求。 利用 WBG 半導(dǎo)體和數(shù)字控制元件設(shè)計(jì)有源 PFC 利用數(shù)字控制技術(shù)和寬帶隙功率半導(dǎo)體（包括 GaN 和 SiC），設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)或無源 PFC 設(shè)計(jì)相比，這些電路可以提供更高的效率和功率密度。 設(shè)計(jì)人員可以用先進(jìn)的數(shù)字控制技術(shù)來取代模擬控制器，或者用額外的數(shù)字控制元件（包括微控制器）來補(bǔ)充模擬控制，以實(shí)現(xiàn)最大的 PFC 性能。在某些情況下，WBG 半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)：交錯(cuò)設(shè)計(jì)和無橋設(shè)計(jì)。每種方法具有不同的優(yōu)勢(shì)： · 交錯(cuò)式 PFC 的優(yōu)勢(shì)： 效率更高 改善熱分布 減小了通過 PFC 級(jí)的 RMS 電流 模塊化 · 無橋 PFC 的優(yōu)勢(shì)： 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(cuò)式 PFC 控制器組合利用了模擬與數(shù)字控制技術(shù) STMicroelectronics 的 STNRGPF01 控制器是一款可配置 ASIC，組合利用了數(shù)字和模擬控制技術(shù)，一個(gè)交錯(cuò)式 PFC 最多可驅(qū)動(dòng)的三個(gè)通道（圖 5）。該器件工作在固定頻率的連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 下，采用平均電流模式控制，并實(shí)現(xiàn)了混合信號(hào)（模擬/數(shù)字）控制。模擬內(nèi)部電流回路由硬件執(zhí)行，確保逐周期調(diào)節(jié)。外部電壓回路由數(shù)字式比例積分 (PI) 控制器執(zhí)行，具有快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
圖 5：STNRGPF01 的功能框圖顯示了三相交錯(cuò)式 PFC 應(yīng)用中的內(nèi)部模擬控制部分（紅色）和外部數(shù)字控制部分（綠色）。（圖片來源：STMicroelectronics） STNRGPF01 實(shí)現(xiàn)了靈活的切相策略，可以根據(jù)實(shí)際負(fù)載情況正確地設(shè)置 PFC 通道數(shù)。利用此功能，STNRGPF01 始終能夠在各種負(fù)載電流要求下保證最高的電源效率。 該控制器實(shí)現(xiàn)了幾個(gè)功能：涌流控制、軟啟動(dòng)、猝發(fā)模式冷卻管理和狀態(tài)指示。另外還具有全套嵌入式過壓、過流和熱故障保護(hù)功能。 為了幫助設(shè)計(jì)人員入門，STMicroelectronics 還提供了基于 STNRGPF01 的 STEVAL-IPFC01V1 3 kW PFC 電源管理評(píng)估板（圖 6）。特性和規(guī)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(shí) 3 kW · 輸出電壓：400 V · PF：20% 負(fù)載下 >0.98 · 總諧波失真：20% 負(fù)載下 <5% · 混合信號(hào)控制 · 開關(guān)頻率：111 kHz · 逐周期調(diào)節(jié)（模擬電流控制回路） · 輸入電壓和負(fù)載前饋 · 切相 · 猝發(fā)模式操作
圖 6：STEVAL-IPFC01V1 框圖顯示：1.I/O 測(cè)量信號(hào)；2.模擬電路；3.功率級(jí)；4.采用 STNRGPF01 數(shù)字控制器的數(shù)字控制部分；在三相交錯(cuò)式 PFC 中。（圖片來源：STMicroelectronics） 除 STNRGPF01 混合信號(hào)控制器外，該評(píng)估板還包括 STW40N60M2 N 溝道 600 V 34 A 低 Qg 硅功率 MOSFET 和 PM8834TR 柵極驅(qū)動(dòng)器 IC。 采用 GaN FET 的無橋圖騰柱 PFC 無橋 PFC 拓?fù)涞拈_發(fā)目的是為了消除與使用二極管橋式整流相關(guān)的壓降和低效率。由于 GaN 和 SiC 等 WBG 功率半導(dǎo)體的出現(xiàn)，無橋圖騰柱 PFC 得以實(shí)現(xiàn)（圖 7）。在傳統(tǒng)的圖騰柱設(shè)計(jì) (a) 中，兩個(gè) GaN FET 和兩個(gè)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(gè)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(tǒng)圖騰柱設(shè)計(jì) (a) 中，兩個(gè) GaN FET 和兩個(gè)二極管用于線路整流；在改進(jìn)的電路 (b) 中，二極管被兩個(gè)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(fù)電荷 (Qrr) 要小得多，這使無橋圖騰柱設(shè)計(jì)非常實(shí)用（圖 8）。在這個(gè)采用 CCM 模式的圖騰柱 PFC 的簡(jiǎn)化示意圖中，重點(diǎn)是使傳導(dǎo)損耗最小化。
圖 8：采用 CCM 模式的圖騰柱 PFC 簡(jiǎn)化示意圖包括兩個(gè)以高脈沖寬度調(diào)制頻率工作的快速開關(guān) GaN HEMT（Q1 和 Q2）（用作升壓轉(zhuǎn)換器），以及兩個(gè)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(gè)快速開關(guān) GaN HEMT（Q1 和 Q2）和兩個(gè)較低電阻 MOSFET（S1 和 S2）。Q1 和 Q2 在高脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 頻率下工作，用作升壓轉(zhuǎn)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(jí)電流路徑僅包括一個(gè)快速開關(guān)和一個(gè)慢速開關(guān)，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(dǎo)通，S2 關(guān)斷，使連接到負(fù)端的交流零線連接到直流輸出。負(fù)周期情況則相反。 為了實(shí)現(xiàn) CCM 操作模式，從晶體管的體二極管必須充當(dāng)反激二極管，以使電感電流在空載時(shí)間內(nèi)流動(dòng)。但是，一旦主開關(guān)導(dǎo)通，二極管電流必須迅速降至零并轉(zhuǎn)換至反向阻斷狀態(tài)。這就是圖騰柱 PFC 的關(guān)鍵過程，其中由于高壓硅 MOSFET 體二極管具有高 Qrr，因而會(huì)導(dǎo)致異常尖峰、不穩(wěn)定和相關(guān)的高開關(guān)損耗。GaN 開關(guān)的低 Qrr 允許設(shè)計(jì)人員克服這一障礙。 設(shè)計(jì)人員可以使用 Transphorm 的 TDTTP4000W066C 4 kW 無橋圖騰柱 PFC 評(píng)估板，來研究電路的運(yùn)行情況。該評(píng)估板使用 Microchip Technology 的 MA330048 dsPIC33CK256MP506 數(shù)字電源插件模塊 (PIM) 作為控制器。Transphorm 的第四代 (SuperGaN) TP65H035G4WS GaN FET 實(shí)現(xiàn)了較高效率的單相轉(zhuǎn)換。在電路的快速開關(guān)分支電路中采用 Transphorm 的 GaN FET，在慢速開關(guān)分支點(diǎn)路中采用低電阻 MOSFET 將使性能和效率同時(shí)獲得提升。 雙向圖騰柱 PFC 組合利用了硅 FET 和 SiC FET 對(duì)于電網(wǎng)交互式電池電動(dòng)汽車和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員，Infineon 提供了 EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 評(píng)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(shí)現(xiàn)了 72 瓦/立方英寸的高功率密度。EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 板上實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)全數(shù)字控制。
圖 9：EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 3300 W 圖騰柱 PFC 評(píng)估板框圖顯示了讓板實(shí)現(xiàn)指定 72 瓦/立方英寸功率密度的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。（圖片來源：Infineon Technologies） 這個(gè)圖騰柱 PFC 結(jié)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(zhuǎn)換器專門以 CCM 模式工作在高壓線路（最低 176 Vrms，標(biāo)稱 230 Vrms）上，開關(guān)頻率為 65 kHz，半載時(shí)效率最高可達(dá) 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(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn) PFC 控制 總結(jié) 低 PF 會(huì)給公用電網(wǎng)和電源轉(zhuǎn)換器帶來效率低下的問題，因此 PFC 對(duì)于各種交流市電設(shè)備來說必不可少，并且法規(guī)規(guī)定了特定類型電子設(shè)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(shí)符合這些法規(guī)要求，設(shè)計(jì)人員需要一個(gè)能替代簡(jiǎn)單、低成本無源 PFC 技術(shù)的方案。 如本文所述，設(shè)計(jì)人員可以使用數(shù)字控制技術(shù)及 SiC 和 GaN 等 WBG 半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)有源 PFC 設(shè)計(jì)，從而讓設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)更高的 PF 和更緊湊的外形。 來源：Digi-Key 作者：Jeff Shepard |
