提高電源轉(zhuǎn)換效率的交錯(cuò)式PFC控制技術(shù)及應(yīng)用

多年以來，多種創(chuàng)新型功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)不斷問世。采用升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的有源功率因數(shù)校正就是首批創(chuàng)新技術(shù)中的一種。由于不再需要大體積的無源PFC解決方案，所以有源功率因數(shù)校正技術(shù)提高了功率密度。另一個(gè)創(chuàng)新技術(shù)為轉(zhuǎn)移模式PFC，該技術(shù)消除了PFC預(yù)調(diào)節(jié)器的升壓二極管中的反向恢復(fù)電流，不但降低了轉(zhuǎn)換器的開關(guān)損耗，而且還提高了系統(tǒng)效率。用來增加功率密度并提高系統(tǒng)效率的PFC下一個(gè)創(chuàng)新技術(shù)為交錯(cuò)式PFC預(yù)調(diào)節(jié)器。

電源設(shè)計(jì)工程師設(shè)計(jì)交錯(cuò)式PFC轉(zhuǎn)換器已有數(shù)年，但因缺少合適的控制器，所以對(duì)電源控制的設(shè)計(jì)必須非常謹(jǐn)慎。為使交錯(cuò)式PFC設(shè)計(jì)變得更輕松，德州儀器(TI)開發(fā)出兩款交錯(cuò)式PFC控制器：一款為針對(duì)平均電流模式預(yù)調(diào)節(jié)器的控制器(UCC28070)，另一款為針對(duì)交錯(cuò)式轉(zhuǎn)移模式PFC預(yù)調(diào)節(jié)器的控制器(UCC28060)。本文將討論如何利用交錯(cuò)式PFC及其控制技術(shù)來增加功率密度、提高系統(tǒng)效率并降低系統(tǒng)成本。

交錯(cuò)式PFC升壓預(yù)調(diào)節(jié)器(圖1)僅由兩個(gè)PFC升壓轉(zhuǎn)換器組成，這兩個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器的工作相位相差180°，可降低由電感電流(IL1和IL2)引起的輸入電流(IIN)。由于電感高頻紋波電流為反相，所以二者相互抵銷，從而降低由升壓電感電流引起的輸入紋波電流。電感紋波電流的消除允許電源設(shè)計(jì)工程師在減少由升壓電感引起的輸入紋波的同時(shí)并聯(lián)升壓PFC預(yù)調(diào)節(jié)器，這可以降低總的電感升壓幅度和/或縮小EMI濾波器尺寸。此外，與單級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，交錯(cuò)式PFC預(yù)調(diào)節(jié)器的高頻輸出電容的均方根(RMS)電流(ICOUT)不到前者的50%。高頻升壓電容的RMS電流的減少最多可以使升壓電容數(shù)量下降25%。請(qǐng)不要將升壓電容數(shù)量與設(shè)計(jì)時(shí)所需的電容數(shù)量相混淆，轉(zhuǎn)換器所需的電容數(shù)量一般由保持時(shí)間決定。

與單級(jí)預(yù)調(diào)節(jié)器相比，交錯(cuò)式PFC預(yù)調(diào)節(jié)器最多可以將設(shè)計(jì)所需的總電感能量降低50%。為詳細(xì)說明這一點(diǎn)，可考慮單級(jí)PFC所需的電感能量(ES(L))以及交錯(cuò)式PFC所需的總電感能量(EI(L1+L2))的公式。對(duì)于相同的功率級(jí)，如果在這兩種設(shè)計(jì)中使用相同的電感值，那么交錯(cuò)式設(shè)計(jì)所需的總電感能量只有單級(jí)設(shè)計(jì)的一半。事實(shí)上，交錯(cuò)式設(shè)計(jì)所減少的電感能量最多可以使磁體體積減少32%。

通過比較單級(jí)PFC的傳導(dǎo)損耗(PCS)與交錯(cuò)式PFC的總體傳導(dǎo)損耗(PCI)可看出：與單級(jí)功率因數(shù)校正轉(zhuǎn)換器相比，交錯(cuò)式PFC預(yù)調(diào)節(jié)器可最多可使傳導(dǎo)損耗降低50%。傳導(dǎo)損耗的降低將使交錯(cuò)式PFC預(yù)調(diào)節(jié)器在更高的電壓下具有更高的效率(此時(shí)傳導(dǎo)損耗為主要損耗)。

過去，電源設(shè)計(jì)工程師被迫采用分立電路控制方案來控制交錯(cuò)式PFC預(yù)調(diào)節(jié)器。為幫助電源設(shè)計(jì)工程師實(shí)現(xiàn)交錯(cuò)式設(shè)計(jì)，TI推出了兩款交錯(cuò)式PFC控制器，其中UCC28060控制器不僅能讓兩個(gè)轉(zhuǎn)移模式PFC預(yù)調(diào)節(jié)器交錯(cuò)運(yùn)行，還采用了恒定導(dǎo)通時(shí)間控制技術(shù)，不需要對(duì)電流進(jìn)行檢測。該技術(shù)消除了對(duì)升壓FET源端的電流檢測電阻的需求，只有在保護(hù)升壓FET的峰值限流電路中才需要電流檢測。峰值限流比較器被設(shè)計(jì)成在200mV時(shí)才被觸發(fā)，該觸發(fā)電壓還不到轉(zhuǎn)移模式PFC控制器通常所需電流感應(yīng)信號(hào)的電壓的1/6。由于具有電流檢測功能，這種創(chuàng)新技術(shù)大大降低了傳導(dǎo)損耗。圖1為采用UCC28060控制IC的交錯(cuò)式PFC預(yù)調(diào)節(jié)器原理圖。

圖1：采用UCC28060控制IC的交錯(cuò)式PFC預(yù)調(diào)節(jié)器原理圖。

雖然交錯(cuò)式PFC預(yù)調(diào)節(jié)器可以通過降低傳導(dǎo)損耗提高效率，但當(dāng)開關(guān)損耗(PS)為主要損耗時(shí)，它實(shí)際上會(huì)降低轉(zhuǎn)換器的輕負(fù)載效率。下面方程式對(duì)雙相交錯(cuò)式升壓二極管和升壓FET開關(guān)損耗進(jìn)行了說明，其中，VDS與IDS分別為FET的漏源極開關(guān)電壓和漏極電流，變量tr和tf為FET的漏源極上升和下降時(shí)間，Coss為FET的漏源極寄生電容，Qg為FET的柵極電荷，Vg為施加在FET柵極驅(qū)動(dòng)上以將其導(dǎo)通的柵極驅(qū)動(dòng)電壓，變量fs表示轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換頻率，變量IRR表示升壓二極管的反向恢復(fù)電流。從這個(gè)方程式可知，由COSS、Qg以及IRR引起的總體損耗是單級(jí)PFC預(yù)調(diào)節(jié)器的兩倍。在輕負(fù)載條件下關(guān)閉其中一個(gè)交錯(cuò)相位，進(jìn)入單相運(yùn)行模式，可以提高輕負(fù)載條件下的效率。

為提高輕負(fù)載效率，UCC28060具有可選的內(nèi)置相位管理電路，啟動(dòng)這一功能就可以讓系統(tǒng)的輕負(fù)載效率提高1~3%(圖2)。

圖2：UCC28060通過相位管理實(shí)現(xiàn)的效率提高。

用來控制交錯(cuò)式PFC的第二款控制IC是UCC28070。該控制IC能讓兩個(gè)平均電流模式PFC升壓級(jí)交錯(cuò)運(yùn)行。為確保預(yù)調(diào)節(jié)器具有最高效率，該IC能與電流感應(yīng)變壓器來檢測電流。此外，為確保調(diào)節(jié)與電流共享功能正常，UCC28070可以與單電壓回路和兩個(gè)單獨(dú)的電流回路協(xié)同工作。

使用電流感應(yīng)變壓器的PFC升壓預(yù)調(diào)節(jié)器通常要求檢測升壓二極管(D1)和升壓開關(guān)(Q1)的電流。一般來說，電流感應(yīng)電路由兩個(gè)電流感應(yīng)變壓器(CT1和CT2)、兩個(gè)整流器二極管(D)、兩個(gè)復(fù)位電阻(RR)以及一個(gè)電流感應(yīng)電阻(RS)組成(圖4)。在交錯(cuò)式PFC預(yù)調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)中，可能每個(gè)相位的電流都要進(jìn)行檢測。為降低系統(tǒng)成本，TI開發(fā)了電流合成技術(shù)，無需感測升壓二極管電流就能直接合成升壓二極管電流，從而能在電路中節(jié)省一個(gè)電流感應(yīng)變壓器(CT2)、一個(gè)整流器二極管和一個(gè)復(fù)位電阻。

圖3：電流合成技術(shù)降低了電流感應(yīng)變壓器的數(shù)量。

總之，通過減少電容數(shù)量和總的電感數(shù)量，交錯(cuò)式PFC預(yù)調(diào)節(jié)器可以提高功率密度。交錯(cuò)式電源轉(zhuǎn)換器可以降低傳導(dǎo)損耗，提高整體系統(tǒng)效率。過去由于沒有PFC控制器，電源設(shè)計(jì)工程師必須謹(jǐn)慎地對(duì)待交錯(cuò)式PFC控制。為在設(shè)計(jì)過程中提供幫助并使交錯(cuò)式PFC控制變得更簡單，TI推出了創(chuàng)新型交錯(cuò)式PFC控制器。UCC28060是專門針對(duì)轉(zhuǎn)移模式交錯(cuò)式PFC而設(shè)計(jì)的，具有內(nèi)置相位管理功能，以提高輕負(fù)載效率。UCC28070是專門針對(duì)交錯(cuò)式平均電流模式PFC而設(shè)計(jì)的，采用了創(chuàng)新型電流合成技術(shù)，它通過減少電流變壓器電流檢測所需組件的數(shù)量來降低系統(tǒng)成本。

發(fā)布者：小宇