由于糟糕的功率因數(shù) (PF) 導(dǎo)致電網(wǎng)損耗增加，因此要求越來越多的終端設(shè)備遵守嚴(yán)格的目標(biāo)值。 空調(diào)已經(jīng)完全受到監(jiān)管，但其他電動(dòng)設(shè)備，如吊扇、真空吸塵器或冰箱可能會(huì)緊隨其后。
電源單元 (PSU) 效率提升一直是開發(fā)消耗大量電力的系統(tǒng)的重要研究目標(biāo)。 由于具有數(shù)百瓦或更高額定功率的中高容量 PSU 需要高功率因數(shù)性能，因此此類設(shè)備具有兩級(jí)結(jié)構(gòu)，其中包括功率因數(shù)校正 (PFC) 電路。
PFC 功率級(jí)的效率對(duì)整體 PSU 性能很重要。 通過使用更好的開關(guān)部件（場(chǎng)效應(yīng)晶體管 [FET] 和二極管）、改進(jìn)磁性部件材料的開發(fā)以及電路結(jié)構(gòu)研究的應(yīng)用，PFC 電路性能不斷提高。 在這篇文章中，我將解釋如何選擇和設(shè)計(jì)高效且具有成本競(jìng)爭(zhēng)力的 PFC 扼流圈，以提高 PFC 功率級(jí)的效率。
圖1
圖 1 顯示了典型的單相升壓 PFC 主功率級(jí)。 在此拓?fù)渲?，四個(gè)因素對(duì)消耗影響最大：
1、橋式二極管損耗。
2、電感損耗，包括鐵損和銅損。
3、續(xù)流二極管損耗，包括導(dǎo)通損耗和反向恢復(fù)損耗（后者僅在連續(xù)導(dǎo)通模式 [CCM] 下產(chǎn)生）。
4、開關(guān)器件損耗，包括開關(guān)損耗、傳導(dǎo)損耗和驅(qū)動(dòng)損耗。
圖 1 顯示了 PFC 級(jí)的哪些參數(shù)對(duì)效率有影響。 接下來，我們將討論如何在 PFC 扼流圈設(shè)計(jì)中選擇合適的磁性材料，以提高效率，同時(shí)又具有成本競(jìng)爭(zhēng)力。
通常，磁芯分為合金型磁芯和鐵氧體磁芯，合金型磁芯包括鐵粉磁芯、鐵硅鋁粉磁芯、鐵鎳合金和非晶磁芯。 不同的磁性材料具有不同的特性：鐵氧體磁芯具有很高的微值，因此您可以輕松獲得高電感，但也很容易飽和。 合金型磁芯具有軟飽和特性，這意味著即使通過短電流也不會(huì)飽和，這一特性在某些應(yīng)用中非常有用。 表 1 比較了不同的磁性材料。
不同的磁芯形狀具有不同的特性，例如成本、熱和屏蔽特性。 表 2 比較了不同形狀之間的關(guān)鍵特征。
當(dāng)開始新設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)該知道的主要目標(biāo)是什么：高效率、低成本或小尺寸。 不同的要求決定了應(yīng)該選擇哪種磁性材料才能達(dá)到最佳性能。
230V、3.5kW PFC 具有≥98% 的效率，針對(duì) BOM 和尺寸參考設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，是一種 TI 設(shè)計(jì)，特別適用于空調(diào)等電器應(yīng)用。 在此參考設(shè)計(jì)中，我使用鐵硅鋁芯作為 PFC 扼流圈。 我選擇 45kHz 作為主開關(guān)頻率，因?yàn)樵谶@個(gè)頻率下，鐵硅鋁芯具有成本和效率的最佳平衡，因此我可以在高線路輸入下獲得非常高的效率。
表 3 和表 4 分別顯示了 230VAC 和 270VAC 輸入下的效率測(cè)試結(jié)果。 同時(shí)，由于鐵硅鋁芯具有軟飽和特性，避免了主開關(guān)短路的風(fēng)險(xiǎn)。
從這些表中，可以看到，在不使用碳化硅 (SiC) 二極管等任何昂貴組件的情況下，可以在高線路輸入下達(dá)到 98.6% 的峰值效率。
圖 2 顯示了 230VAC 輸入下的工頻 PFC 扼流電流； 形狀與輸入電壓相同。 圖 3 顯示了 230VAC 輸入下的開關(guān)頻率 PFC 扼流電流。 從這張圖中可以看出，開關(guān)在開啟和關(guān)閉時(shí)幾乎沒有振鈴噪聲，這有助于提高電磁干擾 (EMI) 性能。
圖3
圖4