采用功率因数校正技术将功耗降至最低(06-100)

　　随着家庭和各种工作场所对消费电子和计算机用量的增加，功耗成本受到越来越多的重视。降低用户设备功耗的需求正在促使设备内外的电源实现更高的能效。

　　对于数百瓦到千瓦的AC-DC电源，其效率取决于功率因子校正 (PFC)和后级的DC-DC变换效率。尽管人们今天已经能较好地理解DC-DC变换器的成本和性能间的利弊权衡，但从电路和控制技术的角度来讲，PFC技术一直处于落后状态。不过，这种局面最近已经开始改变。本文将讨论该技术领域的一些发展，以及电源设计工程师如何把握各种设计观点和建议。

　　AC-DC变换器中的损耗

　　AC-DC变换器中的功率损耗一般包括：

　　·升压二极管中的反向恢复损耗；

　　·输入整流桥的损耗；

　　·EMI滤波器中的损耗；

　　·PFC功率开关管的损耗；

　　·电感/扼流线圈损耗。

　　升压二极管中反向恢复损耗

　　PFC变换器一般采用两种控制技术：连续电流模式 (CCM) 和边界模式 (BCM)，后者也称作变调模式 (TM) 或临界模式 (CRM)。在CCM变换器中，控制IC用固定频率调整占空比（PWM）来调节升压电感的平均电流。在BCM变换器中，该电感电流在开关导通前可以回到零，因而是一个频率可变的控制方案。

　　当CCM变换器中的MOSFET导通时，由于仍有电感电流流经升压整流二极管，升压整流二极管将经历反向恢复过程 (二极管内的反向电流消失的过程)。这将在主MOSFET M1中造成功率损耗。在BCM变换器中，电感电流在MOSFET导通时基本上为零，即实现了软开关功能。因此，采用BCM控制技术的反向恢复损耗最小。

　　但采用BCM所得到的好处并非无代价的。BCM的峰值电感电流比CCM高出两倍；较高的峰值电感电流在MOSFET和二极管中会都造成较大的导通损耗，并在电感中造成更大的功率损耗。因此，BCM模式的变换器局限于输出功率在250W到300W的应用中。

　　此外，二极管技术的改进已提高了CCM模式的 PFC变换器效率。碳化硅 (SiC) 整流二极管已经使反向恢复效应大幅降低，这有助于将问题解决，但成本较高。超快速硅二极管产品也能降低反向恢复损耗，但代价是导通损耗较高。

　　输入整流桥的损耗

　　AC-DC变换器有用四个慢速恢复二极管构成的输入整流桥。这些二极管的功率损耗相当可观。因此，就有了所谓的 “无桥PFC” 技术，即将图1中整流桥的下面两个二极管换成两个受控驱动的MOSFET作为升压开关 (注意“无桥”一词可能用得不当，因为输入整流二极管仍然存在)。这些桥接二极管起到了升压二极管AC-DC变换器有用四个慢速恢复二极管构成的输入整流桥。这些二极管的功率损耗相当可观。因此，就有了所谓的 “无桥PFC” 技术，即将图1中整流桥的下面两个二极管换成两个受控驱动的MOSFET作为升压开关 (注意“无桥”一词可能用得不当，因为输入整流二极管仍然存在)。这些桥接二极管起到了升压二极管的作用，省掉了传统技术中的升压二极管部件。从理论上讲，这会提高效率，因为电流在某一时刻只流经两颗半导体器件，而不是三颗。