工程师详解PFC在电源设计中的作用

　　Teslaco公司总裁Slobodan Cuk博士开辟了这个领域的新天地，他研发出一种直接由交流电源线供电的无桥PFC转换器（正在申请专利）。该转换器据称是首款真正的单级无桥AC-DCPFC转换器。

　　为了实现这一壮举，Cuk采用了一种新的开关功率转换方法，这种方法称为“混合开关”（hybrid-switching）。该方法采用仅包含三个开关的转换器拓扑：一个可控开关S和两个无源整流器开关（CR1和CR2）（图10）。输入交流电压为正极或负极时，两个整流器根据主开关（S） 的状态作出相应的导通和关断操作。该拓扑由一个与输入串联的电感、浮动的能量传输电容（作为开关周期部件的谐振电容器）和一个谐振电感组成。

　　由于基于PWM方波开关的传统转换器采用电感和电容器，因此它们需要互补的成对开关。当一个开关导通时，其互补的开关就关断，反之亦然。因此，只允许采用偶数个开关，而新型混合开关PFC转换器可以采用奇数个（3个）开关。

　　在这种设置中，这样的互补开关是不存在的。一个有源开关S单独控制两个二极管，其角色会根据交流输入电压的极性自动发生变化。例如，交流输入电压为正极时，CR1在开关S的导通间隔导电。而交流输入电压为负极时，CR1在开关S的关断间隔导电。此外，CR2还根据开关S的状态和输入交流电压极性自动作出反应。交流输入电压为正极时，CR2在开关S的关断间隔导电;交流输入电压为负极时，CR2在开关S的导通间隔导电。

　　因此，三个开关可以在输入交流线路电压的正半周期和负半周期的整个周期内工作。因此，这种真正的无桥PFC转换器无需全桥式整流器也可以工作，这是因为转换器拓扑实际上执行了交流线路整流。最终在输入交流线路电压的正负半周期实现了同样的直流输出电压。消除全桥式整流器相当于直接消除了损耗 （特别是对于85V的低电压线路而言）。

　　初级的有源开关S在开关频率下调制和工作，该开关频率比线路频率高三个数量级（比如，开关频率为50kHz时，交流线路频率为50/60Hz）。占空比（D）可以通过控制开关的导通时间和所有的稳态指标（比如，直流转换率）来定义，电感L的直流电流根据D来表示。

　　随后，全波输入线路电压和输入线路电流被感测后作为输入发送至无桥PFC IC控制器。控制器对初级的开关S进行调制，强制输入线路电流与输入线路电压成正比，从而提供理想的整功率因数。

　　数字控制PFC

　　用于电源的低成本、高性能数字控制器的出现使得这类控制器开始应用于PFC设计。数字控制器可提供可编程配置、非线性控制、低器件数和实现通常使用模拟方法很难实现的复杂功能的能力。

　　如今的大多数数字功率控制器（比如TI的UCD3020）都具有集成式功率控制外设和功率管理内核，包括数字环路补偿器、快速模数转换器（ADC）、带内置死区时间的高分辨率数字脉宽调制器（DPWM）、低功耗微控制器等。这些控制器支持无桥PFC等复杂的高性能电源设计。

　　图11

　　例如，无桥PFC可以整合两个直流-直流升压电路：L1、D1、S1和L2、D2、S2（图11）。D3和D4是慢速恢复二极管。单独感测以内部电源地为基准的线路和中性点电压可实现输入交流电压的测量。通过比较感测的线路和中性信号，固件可以判断是正半周期还是负半周期。在正半周期时，第一个直流-直流升压电路（L1-S1-D1）是有源电路，升压电流通过D4返回至交流中性线。在负半周期时，L2-S2-D2为有源电路，升压电路通过 D3返回至交流电源线。

　　与采用相同的功率器件的传统单相PFC相比，无桥PFC和单相PFC应具有相同的开关损耗。不过，无桥PFC电流仅通过一个慢速二极管（正半周期时为D4，负半周期时为D3），而不是同时通过两个二级管。因此，效率的提升依靠的是一个二极管与两个二极管之间的传导损耗之差。

　　无桥PFC的效率还可以通过全面导通不活动的开关来提升。比如，在正周期时，S2可以全面导通，而S1由PWM信号控制。由于在流动的电流低于某个值时MOSFET S2上的电压降可能低于D4，返回电流会部分或全部流过L1-D1-RL-S2-L2，然后返回至交流电源。这就降低了传导损耗，从而提高了电路效率（特别是在轻负载下的电路效率）。同样，在负周期时，S1全面导通，而S2则进行开关控制。

　　在相同的交流电压和直流输出电压下，输出电流与电压回路输出成正比。在此基础上，频率和输出电压可以进行相应地调整。固件实现数字控制器中的电压回路。由于输出已知，因此很容易就能以低于模拟方法的成本实现该功能。