【導(dǎo)讀】效率和尺寸是電源設(shè)計的兩個主要考慮因素，而功率因數(shù)校正 (PFC)也在變得越來越重要。為了減少無功功率引起的電力線諧波含量和損耗，盡可能降低電源運行時對交流電源基礎(chǔ)設(shè)施的影響，需要使用 PFC。但要設(shè)計出小尺寸、高效率電源（包括 PFC）仍極具挑戰(zhàn)性。本文介紹了如何通過修改傳統(tǒng) PFC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來更好地實現(xiàn)這一目標(biāo)。
使用整流器和升壓二極管的 PFC
電源的輸入級通常使用橋式整流器后接單相 PFC 級，由四個整流器二極管和一個升壓二極管組成。
圖 1：橋式整流器后接單相 PFC 級
圖騰柱無橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
還有一種提高電源效率的方法，就是使用圖騰柱無橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來移除橋式整流器，并用快速開關(guān) MOSFET 代替升壓二極管。要理解如何做到這一點，最好先將這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)視為兩個獨立的升壓電路的功能組合，每個電路用于輸入正弦波形的一個半周期。
電感、電容、MOSFET S1 和二極管 (S2) 在正半周期內(nèi)用作正升壓電路。此外，還包括一個旁路二極管，目的是防止電感在啟動時或在異常工作條件下飽和；還有一個保護二極管 (SR1)，以防止在負(fù)半周期內(nèi)工作。
圖 2：正升壓電路
在負(fù)半周期內(nèi)，電感、電容、MOSFET S2 和二極管 (S1) 構(gòu)成了標(biāo)準(zhǔn)升壓電路的反相版本，并在導(dǎo)通狀態(tài)路徑中額外配備了一個保護二極管 SR2。
圖 3：負(fù)升壓電路
在圖騰柱無橋 PFC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，兩個二極管（SR1 和 SR2）可以用 MOSFET 代替，以實現(xiàn)更高的效率。這是因為這些二極管在圖騰柱工作期間導(dǎo)通，但切換頻率只有 50/60 Hz。旁路二極管僅在啟動時導(dǎo)通，因此使用 MOSFET 代替它們沒有任何好處。
圖 4：采用二極管的圖騰柱無橋 PFC 電路
改進后的圖騰柱
改進后的圖騰柱無橋 PFC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將快速 SiC MOSFET和慢速超結(jié) MOSFET 相結(jié)合。在正半周波期間，SR1 在整個周期內(nèi)導(dǎo)通，并為異步升壓電路提供接地路徑。S1 充當(dāng)升壓開關(guān)，而 S2 在異步升壓中執(zhí)行二極管功能。同樣，在負(fù)半周期內(nèi)，SR2 提供接地路徑，S2 作為升壓開關(guān)，S1 則用作異步升壓二極管。SR1 和 SR2 可以是低速超結(jié) MOSFET（因為它們只需要在低頻下開關(guān)）。為防止出現(xiàn)潛在的 EMI 問題，需要通過額外電容來避免過快發(fā)生過零轉(zhuǎn)換。但是，如果電容值太大，總諧波失真 (THD) 性能將會變差。對于高功率密度，S1 和 S2 可以是 SiC 器件。
圖 5：改進后具有 SiC 和超結(jié) MOSFET 的圖騰柱無橋 PFC 電路
實現(xiàn)高功率密度的高效電源
安森美 (onsemi) 通過帶有EliteSiC 開關(guān)的高頻 PFC 前端、先進的圖騰柱無橋 PFC 控制器和運行頻率高達 150 kHz 的高頻 LLC 級，在輸出級上使用高速同步整流設(shè)計出一個功率密度超過40 W/in3、滿載效率為 98.4% 的單相交流輸入 3 kW PFC 電源。該創(chuàng)新方案的操作和性能在白皮書中進行了詳細說明。
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