EC-61000-3-2 標(biāo)準(zhǔn)定義了給定功率水平允許的最大諧波電流。2005 年第 3 版對(duì) 1995 年和 2001 年標(biāo)準(zhǔn)的初始版本進(jìn)行了更改。它對(duì)（D 類(lèi)）PC、顯示器和電視的電力線諧波電流提出了更嚴(yán)格的要求，每相功耗在 75 和 600 W 之間，=16 A . 為了滿足這些要求，設(shè)計(jì)人員必須在 D 類(lèi)電源中采用有源 PFC。

許多 PFC 電路采用升壓轉(zhuǎn)換器。傳統(tǒng)升壓 PFC 轉(zhuǎn)換器的一個(gè)限制是它只能通過(guò)整流交流線路工作，這涉及兩級(jí)功率處理（圖 1）。

圖1

轉(zhuǎn)換器生成的波形更好地說(shuō)明了這個(gè)問(wèn)題（圖 2）。此外，在傳統(tǒng)升壓轉(zhuǎn)換器中引入隔離也沒(méi)有簡(jiǎn)單有效的方法。

圖2

使用升壓轉(zhuǎn)換器的全橋擴(kuò)展，然后作為 PFC 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制，是引入隔離的一種方式（圖 3）。然而，這增加了初級(jí)側(cè)的四個(gè)晶體管和次級(jí)側(cè)的四個(gè)二極管整流器的復(fù)雜性，它們都在例如 100 kHz 的開(kāi)關(guān)頻率下工作。此外，輸入橋式整流器中還有四個(gè)二極管，工作在 50/60Hz 的線路頻率下

圖3

除了低頻正弦電流外，線路電流還會(huì)在高開(kāi)關(guān)頻率下疊加輸入電感紋波電流，需要通過(guò)交流線路上的附加高頻濾波器將其濾除。在硬開(kāi)關(guān)模式下工作的 12 個(gè)開(kāi)關(guān)的存在導(dǎo)致高導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)損耗。這種兩級(jí)方法及其輔助開(kāi)關(guān)設(shè)備的最佳效率為 87%。

由于升壓直流轉(zhuǎn)換增益，這種方法還存在啟動(dòng)問(wèn)題。它需要額外的電路來(lái)對(duì)輸出電容器進(jìn)行預(yù)充電，以便轉(zhuǎn)換器能夠啟動(dòng)。

為了實(shí)現(xiàn) 1 kW 或更高的功率，設(shè)計(jì)人員通常采用三級(jí)方法（圖 4）。這里，標(biāo)準(zhǔn)升壓 PFC 轉(zhuǎn)換器和隔離降壓轉(zhuǎn)換器跟隨輸入的橋式整流器。這總共需要 14 個(gè)開(kāi)關(guān)。這些開(kāi)關(guān)中至少有六個(gè)是高壓的，這進(jìn)一步降低了效率并增加了成本。盡管如此，基于目前最好的開(kāi)關(guān)器件的最高效率達(dá)到約 90%，它比兩級(jí)方法要好。

圖4

對(duì)于中低功率，還有一種替代方法，即通過(guò)將正向轉(zhuǎn)換器用于隔離級(jí)來(lái)減少開(kāi)關(guān)數(shù)量（圖 5）。在走這條路之前，必須意識(shí)到雖然現(xiàn)在有 10 個(gè)開(kāi)關(guān)，但正向轉(zhuǎn)換器中的四個(gè)開(kāi)關(guān)器件對(duì)初級(jí)和次級(jí)側(cè)開(kāi)關(guān)施加的電壓應(yīng)力比全橋解決方案更大。此外，全橋解決方案需要四個(gè)磁性元件。

圖5

無(wú)橋 PFC 轉(zhuǎn)換器

TESLAco總裁 Slobodan Cuk 博士在這個(gè)領(lǐng)域開(kāi)辟了新天地，開(kāi)發(fā)了一種直接從交流線路工作的無(wú)橋 PFC 轉(zhuǎn)換器。它號(hào)稱(chēng)是第一款真正的單級(jí)無(wú)橋 AC-DC PFC 轉(zhuǎn)換器。

為了實(shí)現(xiàn)這一壯舉，Cuk 采用了一種新的開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換方法，稱(chēng)為“混合開(kāi)關(guān)”。它采用僅由三個(gè)開(kāi)關(guān)組成的轉(zhuǎn)換器拓?fù)洌阂粋€(gè)可控開(kāi)關(guān) (S) 和兩個(gè)無(wú)源電流整流器開(kāi)關(guān)（CR1 和 CR2）（圖 6）。兩個(gè)整流器根據(jù)輸入交流電壓的正極性或負(fù)極性的主開(kāi)關(guān) (S) 的狀態(tài)打開(kāi)和關(guān)閉。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由一個(gè)與輸入串聯(lián)的電感器、在部分開(kāi)關(guān)周期中充當(dāng)諧振電容器的浮動(dòng)能量傳輸電容器和一個(gè)諧振電感器組成。

由于基于 PWM 方波開(kāi)關(guān)的傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器使用電感和電容，因此它們需要互補(bǔ)對(duì)開(kāi)關(guān)。當(dāng)一個(gè)開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，其互補(bǔ)開(kāi)關(guān)關(guān)閉，反之亦然。因此，與新的混合開(kāi)關(guān) PFC 轉(zhuǎn)換器中的奇數(shù)（三個(gè)）相比，只允許偶數(shù)個(gè)開(kāi)關(guān)。

在此設(shè)置中，不存在此類(lèi)互補(bǔ)開(kāi)關(guān)。一個(gè)有源開(kāi)關(guān) S 單獨(dú)控制兩個(gè)二極管，它們的作用會(huì)根據(jù)交流輸入電壓的極性自動(dòng)改變。例如，對(duì)于交流輸入電壓的正極性，CR1 在開(kāi)關(guān) S 的導(dǎo)通時(shí)間間隔內(nèi)導(dǎo)通。那么，對(duì)于交流輸入電壓的負(fù)極性，CR1 在開(kāi)關(guān) S 的關(guān)斷時(shí)間間隔內(nèi)導(dǎo)通。CR2 也響應(yīng)自動(dòng)進(jìn)入開(kāi)關(guān) S 和輸入交流電壓極性的狀態(tài)。對(duì)于正極性，它在開(kāi)關(guān) S 的關(guān)斷時(shí)間間隔內(nèi)導(dǎo)通；對(duì)于負(fù)極性，它在開(kāi)關(guān) S 的導(dǎo)通時(shí)間間隔內(nèi)導(dǎo)通。

因此，三個(gè)開(kāi)關(guān)在輸入交流線電壓的正半周期和負(fù)半周期都始終工作。因此，這種真正的無(wú)橋 PFC 轉(zhuǎn)換器在沒(méi)有全橋整流器的情況下運(yùn)行，因?yàn)檗D(zhuǎn)換器拓?fù)鋵?shí)際上執(zhí)行交流線路整流。最終結(jié)果是輸入交流線路電壓的任一極性都具有相同的直流輸出電壓。取消全橋整流器直接消除了損耗，尤其是對(duì)于 85V 低壓線路。

初級(jí)側(cè)的有源開(kāi)關(guān) S 以開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行調(diào)制和操作，其測(cè)量值比線路頻率高三個(gè)數(shù)量級(jí)（例如，50 kHz 開(kāi)關(guān)頻率與 50/60 Hz 的低交流線路頻率相比）。占空比 (D) 可以根據(jù)控制開(kāi)關(guān) S 的導(dǎo)通時(shí)間和所有穩(wěn)態(tài)量（例如直流轉(zhuǎn)換比）來(lái)定義，電感器 L 的直流電流用 D 表示。

隨后，檢測(cè)全波輸入線路電壓和輸入線路電流，并將其作為輸入發(fā)送到無(wú)橋 PFC IC 控制器。反過(guò)來(lái)，控制器調(diào)制初級(jí)側(cè)的開(kāi)關(guān) S 以強(qiáng)制輸入線路電流與輸入線路電壓成比例，從而提供所需的單位功率因數(shù)。

該 PFC 轉(zhuǎn)換器真正顯著的特性是電隔離擴(kuò)展保留了與圖6中的三開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器相同的簡(jiǎn)單性。基本上，諧振電容器分成兩個(gè)串聯(lián)，隔離變壓器插入它們的分裂點(diǎn)。

圖6

數(shù)控PFC

用于電源的低成本、高性能數(shù)字控制器的可用性導(dǎo)致它們?cè)?PFC 設(shè)計(jì)中的使用。數(shù)字控制器提供可編程配置、非線性控制、部件數(shù)量少以及實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能的能力，而這些功能通常用模擬方法難以實(shí)現(xiàn)。

大多數(shù)當(dāng)今的數(shù)字電源控制器，例如德州儀器的 UCD3020，都提供集成電源控制外設(shè)和電源管理內(nèi)核，包括數(shù)字環(huán)路補(bǔ)償器、快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、高分辨率數(shù)字脈沖- 具有內(nèi)置死區(qū)時(shí)間、低功耗微控制器等的寬度調(diào)制器 (DPWM)。它們支持復(fù)雜的高性能電源設(shè)計(jì)，例如無(wú)橋 PFC。

例如，無(wú)橋 PFC 可以包含兩個(gè) DC-DC 升壓電路：L1、D1、S1 和 L2、D2、S2 （圖7）。D3 和?? D4 是慢恢復(fù)二極管。分別感測(cè)參考內(nèi)部電源接地的線路和中性線電壓可實(shí)現(xiàn)輸入交流電壓測(cè)量。通過(guò)比較感應(yīng)到的線路和中性信號(hào)，固件可以判斷它是正半周期還是負(fù)半周期。在正半周期內(nèi)，第一個(gè) dc-dc 升壓電路 (L1-S1-D1) 處于活動(dòng)狀態(tài)，升壓電流通過(guò) D4 返回到交流中性點(diǎn)。在負(fù)半周期期間，L2-S2-D2 處于活動(dòng)狀態(tài)，升壓電流通過(guò) D3 返回到交流線路。

圖7

與使用相同功率器件的傳統(tǒng)單相 PFC 相比，無(wú)橋 PFC 和單相 PFC 應(yīng)具有相同的開(kāi)關(guān)損耗。但是，無(wú)橋 PFC 電流在任何時(shí)候都只通過(guò)一個(gè)慢速二極管（D4 用于正半周期，D3 用于負(fù)半周期）而不是兩個(gè)。因此，效率的提高依賴(lài)于一個(gè)二極管和兩個(gè)二極管之間的傳導(dǎo)損耗差異。

無(wú)橋 PFC 效率也可以通過(guò)完全打開(kāi)非活動(dòng)開(kāi)關(guān)來(lái)提高。例如，在正周期期間，S2 可以完全開(kāi)啟，而 S1 由 PWM 信號(hào)控制。由于當(dāng)流過(guò)的電流低于某個(gè)值時(shí)，MOSFET S2 上的壓降可能低于 D4，因此返回電流部分或全部流過(guò) L1-D1-RL-S2-L2，然后返回交流源。這降低了傳導(dǎo)損耗并提高了電路效率，尤其是在輕負(fù)載時(shí)。類(lèi)似地，在負(fù)循環(huán)期間，S1 完全開(kāi)啟，而 S2 正在切換。

在輸入交流電壓和直流輸出電壓相同的情況下，輸出電流與電壓環(huán)輸出成正比。有了這些知識(shí)，就可以相應(yīng)地調(diào)整頻率和輸出電壓。固件在數(shù)字控制器中實(shí)現(xiàn)電壓環(huán)路。因?yàn)檩敵鍪且阎模院苋菀讓?shí)現(xiàn)此功能，并且比模擬方法成本更低。