幾乎每個人都意識到需要優(yōu)化能效，無論是力求在高能源價格時代限制成本的消費(fèi)者和企業(yè)運(yùn)營商，還是期望滿足日益復(fù)雜的要求和眾多標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計人員。如果尚未以浪費(fèi)能源的高成本為動力，那么產(chǎn)生能量對環(huán)境的影響就會隨著熱量的增加而成為越來越顯著的問題。
認(rèn)識到需要改進(jìn)，各國政府和行業(yè)協(xié)會都制定了書面標(biāo)準(zhǔn)，在某些情況下必須在產(chǎn)品投放市場前就滿足這些標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)注成本或有環(huán)保意識的客戶在做出購買決定時依賴于這些標(biāo)準(zhǔn)，以確信他們在購買高能效的產(chǎn)品。
需要解決的一個關(guān)鍵領(lǐng)域是功率因數(shù)校正(PFC)級，包括電磁干擾(EMI)濾波器。
高能效不僅僅在單個點(diǎn)
對于任何與電源有關(guān)的應(yīng)用，能效一直是個問題，也是制造商在其規(guī)格中規(guī)定的一個參數(shù)。然而，在過去高能效被認(rèn)為是單個點(diǎn)盡可能最好的數(shù)字，通常在滿載的 75%左右。
因此，制造商將注意力集中在這一負(fù)載水平，以提高他們所理解的產(chǎn)品能效。但實(shí)際上器件在這個功率水平上只工作一小部分時間。在實(shí)際應(yīng)用中，特別是具有動態(tài)負(fù)載的應(yīng)用中，這代表實(shí)際能效遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)期。
為了解決這種情況，現(xiàn)代能源標(biāo)準(zhǔn)考慮的是整個能效曲線的性能，而不僅僅是曲線上的最佳點(diǎn)。因此，設(shè)計人員正在研究如何設(shè)計電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，以在低負(fù)載和中等負(fù)載水平下工作得更好。最關(guān)鍵的一個領(lǐng)域是 PFC 級和 EMI 濾波器，二者共消耗高達(dá) 8%的輸出功率。
PFC 概述
電力公司的供電電壓總是正弦的，但線路電流的波形和相位取決于所供電的負(fù)載。對于最簡單的電阻負(fù)載，負(fù)載電流也是正弦的，并且在相位上使功率易于計算。
如果負(fù)載中有電抗元件，如電感或電容器，則負(fù)載電流保持正弦，但相移與電壓有關(guān)。在這種情況下，有功功率(也稱為“實(shí)際”或“平均”功率)像以前一樣計算，但要乘以相角(位移因子)的余弦。無功負(fù)載越多，有功功率越低。
非線性負(fù)載的情況更復(fù)雜，例如集成一個二極管橋和大輸入電容的典型開關(guān)電源的輸入級。在這里，電流是一系列浪涌尖峰，計算功率要使用傅里葉變換(Fourier transformation)。
圖 1：無功負(fù)載(左)和非線性負(fù)載(右)的電壓(藍(lán)色)和電流(紅色)
平均兩個正弦波的乘積需要復(fù)雜的計算，只有當(dāng)兩個波形具有相同的頻率時，才能給出一個非零的結(jié)果。但由此可以得出，只有基本分量才能提供真正的功率，而諧波只產(chǎn)生無用的循環(huán)電流。
與位移因子類似，失真因子模擬失真(非正弦)波形對實(shí)際功率的影響，將實(shí)際功率定義為均方根電壓、均方根電流和這兩個因子的乘積。進(jìn)一步分析將表明總諧波失真(THD)。
實(shí)際上，系統(tǒng)的功率因數(shù)只是位移和失真因子的乘積，因此，真正的功率是均方根電壓、均方根電流和功率因數(shù)的乘積。
校正功率因數(shù)的實(shí)用方法
涉及 PFC 的主要標(biāo)準(zhǔn)是 EN 61000-3-2 ，這是為了最小化從電網(wǎng)提供的任何電流的 THD 而編寫的，通過定義從第二次到第四十次的所有諧波的最大幅值來實(shí)現(xiàn)。PFC 的要求也在其他文件中(例如能源之星規(guī)范 Energy Star)有所提及，許多人認(rèn)為這導(dǎo)致了 PFC 技術(shù)普遍用于許多應(yīng)用。
到目前為止，用于滿足這些標(biāo)準(zhǔn)的最常見和最有效的 PFC 是有源 PFC。一種典型的方法是在輸入整流橋和大電容器之間添加一個 PFC 預(yù)穩(wěn)壓器，以提供恒定的電壓，同時確保電流波形是正弦的。
圖 2：PFC 在二極管橋和大電容器之間
這種方法除了明顯提高功率因數(shù)外，還有許多好處。從 PFC 階段的輸出通常是一個相當(dāng)好調(diào)節(jié)的 400 V，這使得下游轉(zhuǎn)換器的設(shè)計更容易，成本更低。另外，無脈沖電流降低了 EMI 濾波要求，減少了體積和成本 .
然而，這種類型的 PFC 預(yù)轉(zhuǎn)換器不能達(dá)到 100%的能效，因此，確實(shí)造成了系統(tǒng)損耗。在任何電源系統(tǒng)中，都有兩種主要類型的損耗，開關(guān)和導(dǎo)通。導(dǎo)通損耗是兩種損耗之和：一種由于橋二極管的正向電壓等因素與系統(tǒng)功率成正比，另一種與系統(tǒng)功率平方成正比，從而構(gòu)成阻抗損耗如 MOSFET 的導(dǎo)通電阻。在較高的功率水平下，后者對能效的影響最大。
圖 3：開關(guān)和導(dǎo)通損耗構(gòu)成電源系統(tǒng)的總損耗
另一方面，開關(guān)損耗很大部分與電流成正比，因此與傳輸?shù)墓β食烧?。而其它部分是恒定的，與系統(tǒng)的功率無關(guān)。它們是由寄生電容和電荷電流引起的，通常與系統(tǒng)的開關(guān)頻率成正比。隨著設(shè)計人員增加工作頻率以減少系統(tǒng)尺寸，開關(guān)損耗成為一個更大的挑戰(zhàn)，特別是在較低的功率水平下，它們在能效損耗中占相當(dāng)大比例。
PFC 控制方案
PFC 的各種控制方案都是為了滿足不同系統(tǒng)的需要而開發(fā)的，但總目標(biāo)都是降低輕載下的開關(guān)損耗和較重負(fù)載下的導(dǎo)通損耗。
如圖所示，有三種基本的控制方案。連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)在固定頻率工作和限制電感電流紋波，同時支持更高損耗。它通常用于較高功率系統(tǒng)(>300 W)。
臨界導(dǎo)通模式(CrM)在電感電流降到零時開始一個新的開關(guān)周期，從而可省去快速恢復(fù)二極管。這導(dǎo)致可變開關(guān)頻率具有較大紋波電流。這種簡單而低成本的方案廣泛用于包括照明在內(nèi)的低功耗應(yīng)用。隨著低導(dǎo)通電阻的 MOSFET 越來越普遍，CrM 正用于更高功率的應(yīng)用中。
圖 4：初級單路 PFC 工作模式
頻率鉗位臨界導(dǎo)通模式(FCCrM)是在幾年前由安森美半導(dǎo)體推出的，用以限制 CrM 下的擴(kuò)頻。在頻率最高的輕載下，工作模式改為非連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)，以降低開關(guān)損耗。額外的電路解決了 DCM 中典型的“死區(qū)時間”，從而確保當(dāng)前的波形是正確的形狀。
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