【導讀】電子設備越來越多地接入電網，這增加了電網的失真幾率，也使配電網絡容易產生問題。為緩解這些問題，電源設計需要先進的功率因數校正 (PFC) 電路來滿足嚴格的功率因數 (PF) 標準。
功率因數校正最常用的拓撲是升壓 PFC，但寬禁帶 (WBG) 半導體（如 GaN 和 SiC）的出現推動了圖騰柱 （totem-pole）PFC 等無橋拓撲的實現，而MPF32010等先進的圖騰柱控制器更加簡化了交錯式圖騰柱 PFC 等復雜設計的控制。本文對三種拓撲在不同應用中的使用情況進行了比較，包括交錯式升壓PFC、無橋圖騰柱 PFC 和交錯式圖騰柱 PFC。
交錯式升壓 PFC
交錯式升壓 PFC 是最常見的功率因數校正拓撲。 這種拓撲除了采用整流二極管橋將交流電壓轉換為直流電壓之外，還包含了升壓變換器（參見圖 1）。 升壓變換器將電壓提升至一個較高的值，這降低了輸出電壓紋波，同時將電流整形為正弦波。
圖 1：交錯式升壓 PFC 原理圖
功率因數的校正僅通過一個升壓變換器即可實現，但設計人員通常會將相互之間存在相移的兩個或多個變換器并聯(lián)連接使用。這種交錯連接可以提高效率，同時降低輸入電流紋波。
無橋圖騰柱 PFC
將新型半導體材料尤其是碳化硅（SiC）應用于功率開關，可以使之前受制于硅的熱特性與電特性而無法實現的設計變得可行。其中之一即為無橋圖騰柱拓撲，該拓撲集成了整流和升壓級，并提供兩個以不同頻率工作的開關支路（見圖 2）。
圖 2：無橋圖騰柱 PFC 原理圖
第一個分支稱為慢速分支（SD1 和 SD2），以電網頻率（例如 50Hz至60Hz 之間）換向。 它采用傳統(tǒng)硅開關，主要負責對輸入電壓進行整流。第二個分支稱為快速分支（Q1 和 Q2），主要在提升電壓的同時對電流整形，該分支需要以極高的頻率（約 100kHz）進行切換。具有較高頻率的高功率切換會給開關帶來更大的熱應力和電應力，變換器需要利用寬禁帶半導體器件（例如 SiC 和 GaN MOSFETS）才能安全高效地工作。
與交錯式升壓變換器相比，這種拓撲通常能改善性能。但額外的有源開關使控制電路變得更加復雜，這個問題通?？梢圆捎眉墒綀D騰柱控制器得到緩解。
交錯式圖騰柱 PFC
為了提高無橋圖騰柱 PFC 的效率，還可以添加額外的高頻分支，創(chuàng)建交錯式圖騰柱 PFC。該額外分支可降低變換器的輸出電壓紋波，并將變換器的功率要求平均分配到所有分支，從而最大限度地減小布局尺寸，降低總成本。
圖 3：交錯式無橋圖騰柱 PFC 原理圖
PFC 拓撲的比較實驗設計
操作參數
為了比較不同情況下的拓撲結構，我們針對兩個功率級別開發(fā)了一系列仿真模型。同時采用相同的系統(tǒng)規(guī)格，以使結果具有可比性（見表 1）。
表1: 系統(tǒng)規(guī)格
參數比較
為進行拓撲比較而定義的關鍵參數如下所述。
輸入電流紋波(ΔIIN): ΔIIN表示輸入電流的變化量，通過測量單個開關周期內輸入電流的最大值與最小值之差獲得。ΔIIN用公式 (1) 來計算：
電流總諧波失真(THDI)：在沒有濾波器的情況下測量輸入電流中存在的諧波失真可得到 THDI。THDI可以用公式 (2) 估算：
感性能量指數 (IEI) 和容性能量指數 (CEI)：這些指數提供變換器每單位功率的電感和電容要求信息（請參見公式 3 和 4），它們與組件的最終尺寸和成本密切相關。IEI 可以用公式 (3) 計算：
CEI可以用公式 (4) 估算：
總開關功率指數 (TSP)：TSP 比較變換器半導體器件每功率單元（類似于硅等效面積）的電壓和電流應力。TSP 與變換器中硅器件的最終成本密切相關。TSP 可以用公式 (5) 計算：
Efficiency (?): 效率 (?)：效率用于比較功率因數校正電路中損失的能量。通過計算電路消耗的輸入功率與輸出端可用功率之間的比率（參見公式 5）可以得出效率。它指明了功耗最小的拓撲結構。效率可以用公式 (6) 估算：
圖騰柱 PFC 與交錯式升壓 PFC 的比較結果
第一項測試模擬了 300W 應用的所有三種拓撲，這種功率級別通常用于計算機電源。第二項測試模擬了3kW 應用下的拓撲，這種高功率級別通常用于電動汽車充電等應用。
通過拓撲比較可以得出每種拓撲的常見特性。然而，這些設計的性能在很大程度上取決于所選擇的器件及其操作參數。因此，設計人員必須認真思考，合理選擇設計，并針對應用審慎優(yōu)化。為闡明這一點，我們對僅考慮器件損耗的功率損耗進行分析，類似器件可以用于所有拓撲。
圖騰柱 PFC 的功耗優(yōu)勢
拓撲比較的第一個關鍵發(fā)現是：圖騰柱PFC不包含整流橋，因此減少了開關器件的數量。升壓變換器中的二極管橋始終導通，因此導通損耗是影響該拓撲效率的關鍵因素。低功率時，變換器中的電流相對較小，因此大部分功耗在開關操作期間產生。這也是升壓和圖騰柱 PFC 拓撲在 300W 應用中具有相似效率的原因（參見圖 4）。傳統(tǒng)和交錯式圖騰柱設計中的損耗差別不大，為簡單起見，我們對交錯式升壓變換器和圖騰柱變換器之間的效率進行比較。
圖 4：300W 設計中的功率損耗
當以 3kW 功率運行時，電路中的電流明顯提高，由于整流器二極管中的高等效電阻，升壓拓撲中會產生明顯的傳導損耗。因此，在大功率應用中，圖騰柱 PFC的效率要高得多（參見圖 5）。
圖5: 3kW設計中的功率損耗
交錯式升壓和圖騰柱 PFC拓撲的效率提升
升壓和圖騰柱 PFC 拓撲比較的另一個關鍵點是工作模式的比較。圖騰柱拓撲通常工作于連續(xù)導通模式 (CCM) ，而交錯式升壓拓撲則工作于臨界導通模式 (CrCM) 。CCM 操作可以顯著降低電感電流紋波和 THDI，而 CrCM 因需要的電感更小而導致更低的感性能量指數 (IEI)（參見圖 6）。
圖6: 輸入電流仿真結果
然而，THDI增大意味著升壓 PFC 需要一個較大的輸入濾波器來滿足電能質量要求，這削弱了無需電感器帶來的益處，如成本和尺寸的降低。此外，CrCM 中的開關電流遠大于 CCM 中的電流，這會增加開關元件的電壓和電流應力（參見圖 7）。
圖 7：流經電感的電流仿真結果
并聯(lián)多個變換器可以將電流應力分布在多個相位上，從而提高性能。就其本身而言，單個非交錯式升壓變換器的效率和性能是無法與圖騰柱 PFC相比的。但通過交錯連接多個升壓變換器，性能可以得到明顯提高。因此，交錯式升壓拓撲是中檔功率應用的有效選擇，如上文提到的 300W 示例（參見圖 8）。
然而，在高功率下，交錯式升壓變換器的效率卻難以與圖騰柱拓撲相比擬。而且，對3kW 或更高功率的應用，即使是圖騰柱變換器也可受益于交錯式連接。交錯式連接將電流分配到兩個支路上，從而使每個支路的電感都減半，這放寬了電源開關要求，同時也降低了輸入電流紋波。
圖 8：交錯式升壓 PFC 中的電感電流
表 2對三種 PFC 拓撲的不同參數進行了總結。
表 2：PFC 拓撲比較仿真結果
結論
本文通過仿真和關鍵參數的比較說明了交錯式升壓、圖騰柱和交錯式圖騰柱 PFC 拓撲的主要特性，幫助設計人員為其應用選擇最佳拓撲。
升壓 PFC 拓撲結構簡單，因此成為大多數設計人員的首選解決方案。然而，升壓 PFC 在大功率應用中的效率較低，因此在這種情況下，盡管圖騰柱 PFC 拓撲增加了復雜性，但可能更可取。而且，MPF32010等集成式圖騰柱控制器的引入能夠極大地簡化圖騰柱 PFC 變換器的實現。
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