当需要交流/直流系统的电源时、高效率、高功率因数(PF)以及低电力线谐波都是需要关注的主要问题。 本文将介绍功率因数校正(PFC)、其用途、不同的拓扑以及图腾柱 PFC 如何用于电源。
什么是功率因数校正(PFC)？
要了解 PFC、我们必须首先定义什么是功率因数(PF)以及 PFC 如何解决它。 PF 可以简单地表示为实际功率(W)除以视在功率(VA)的比值。 实际功率是负载消耗的功率、视在功率是在电源和负载之间循环的功率。 理想功率因数为1、这意味着没有无功功率(VAR)产生的损耗、所有视在功率都是实际功率(VA = W)。 在大多数情况下、高于0.85的功率因数是可以接受的、具体取决于系统及其需求。 在交流系统中、电流和电压波形之间的相移与 PF 相关。 可以通过计算电压和电流之间相移角度的余弦来确定该 PF 值。 PF 为1和0.4的系统波形可在下面的图1中看到。 请注意由于 PF 降低而导致的电流增加。
图1 PF 为1、PF 为0.4的电压和电流波形。
在讨论电源质量和电源效率时、总谐波失真(THD)是另一个常见的关注点。 THD 是信号、尤其是电流的所有谐波分量的总和、该总和与基频进行比较。 THD 是由一个信号中的所有频率产生的、该信号是基频的谐波。 随着谐波增多、信号的正弦波开始变得越来越少、就像正弦波一样、这会对电气系统产生不良影响。 这些因素包括电流增加、电机中的磁芯损耗增加以及对其他电子设备的电磁干扰(EMI)增加。
PF 和 THD 都可以通过功率因数校正(PFC)来降低、主动或被动方式处理此类问题。 PFC 能够通过利用电感器和电容器的储能特性来提供低 THD 和高 PF。 下面的图2显示了典型无源 PFC 电路的示例。
图2采用二极管整流桥的简单无源 PFC 电路图
有关功率因数校正的更深入介绍、请参阅《功率因数校正(PFC)电路基础知识》文档。
典型的 PFC 拓扑有哪些？
PFC 拓扑的特点是有源或无源。 在无源方法中、通过二极管电桥将电感器和电容器等无源器件添加到电路中。 在有源 PFC 方法中、使用全功率转换器级而不是电感器或电容器组、并且由于它们在广泛的工作范围内有效、因此可提供更高的性能。 PFC 的最简单选择之一是使用具有电容器和电感器等无源元件的无源 PFC、以滤除整流器的输出信号并提高功率因数。 无源 PFC 通常适用于具有线性负载并保持稳态的小型(<100W)系统。 由于输出滤波电容器的充电和放电、来自交流电源的电流仍处于突发状态、无源方法无法有效适应该变化。 这是一种有限的方法、而且在广泛的工作范围内并不有效、因为一旦构建、就不会产生可变性或可调节性。 下面的 Figure 3中显示了一个无源 PFC 示例。
图3具有二极管桥式整流的无源 PFC 电路。
无源 PFC 的替代方案是涉及开关的有源 PFC。 有源 PFC 的一个示例是升压 PFC。 升压 PFC 是一种简单的方法、利用一个电感器、一个开关(MOSFET)和一个二极管在整流桥的次级侧创建一个升压转换器。 为了驱动此 MOSFET、 可以使用 UCC27517A 等单通道低侧栅极驱动器。 该方法通常在100W 和4kW 的功率级别之间使用。 升压转换器以大约20-40kHz 的不同占空比快速开关、使输入电流与输入电压同相、从而校正 PF 相移并改进功率因数。 这些 MOSFET 由栅极驱动器在这些高频下驱动、这些栅极驱动器可提供高速和高电流输出、从而实现最高效率。 升压转换器 PFC 拓扑如下面的图4所示。
图4使用 MOSFET、整流桥、电感器和带输出电容滤波器的二极管的升压 PFC。
从升压 PFC 升压的是交错升压 PFC。 交错式升压 PFC 可以进一步提高系统效率、但代价是需要额外的元件。 交错式升压转换器 PFC 使用一个整流二极管桥和两个并联的相移(交错)升压转换器、以提高效率并降低输入电流纹波。 要驱动这两个 MOSFET、 可以使用 UCC27624等双通道低侧栅极驱动器。 该拓扑可在下方的图5中看到。
图5具有并联升压转换器和二极管整流桥的交错式升压转换器 PFC。
另一种要考虑的常见 PFC 拓扑是一种有源无桥拓扑。 图腾柱 PFC 拓扑是一种有源无桥拓扑、将二极管整流桥替换为额外的开关(MOSFET)。 从二极管桥切换到 SiC MOSFET 时、只允许两个结串联、而在前文所示的升压转换拓扑中、只允许三个结。 这可实现100kHz 至250kHz 范围内的更快开关以及更低的反向恢复电荷、从而降低系统中的开关损耗。 在这些频率下、需要使用合适的双通道栅极驱动器来输出功率 MOSFET 保持最大效率所需的高电流。 以下图腾柱 PFC 拓扑的两种配置如图6和图7所示。
图6利用二极管进行线路整流的图腾柱 PFC 电路。
图7采用 MOSFET 进行线路整流的图腾柱 PFC 电路。
对于图腾柱拓扑、使用两个开关支路、如上所示、右侧支路带有两个硅 MOSFET 或两个二极管、左侧支路带有两个 SiC MOSFET (或 GaN FET)。 右侧支路称为慢速支路、用于对电网频率(典型值为50/60Hz)下的交流信号进行线路整流。 UCC27714可驱动此慢速桥臂、因为这些 FET 的功率非常高、需要该驱动器提供的大电流。 左侧分支是用于升高电压并整形输入电流的快速桥臂。 该快速桥臂在100kHz 至250kHz 等高频率下开关、可由 UCC21551驱动。
图腾柱 PFC 的用途是什么？它有何优势？
服务器、网络、电信、工业系统和电动汽车中使用的交流/直流电源、 和高效率需求时、它们都是关键的系统 PF。 如果将升压型 PFC 与图腾柱 PFC 进行比较、可以看到升压拓扑的直流/直流级可以占2%的损耗、而线路整流可以占另外2%。 当考虑供电行业但诸如 EnergyStar 和 IEM 61000-3-2等群体中规定的极端标准时、这可能会是一个问题。 交错式升压转换器总共包含8个开关元件、例如 MOSFET 和二极管、而图腾柱 PFC 拓扑仅使用4个开关元件。 由于元件更少、这有助于实现更少的导通损耗。 在比较不同拓扑的效率时、标准升压 PFC 可达到峰值效率高达95-97%、交错升压 PFC 可在此基础上以97-98%的效率加以改进。 但使用图腾柱 PFC、效率可达到98-99.5%。 这三种拓扑的效率更高、但成本和开关复杂性更高。
UCC27714 是一款非隔离式半桥栅极驱动器、由于其具有4A 灌电流和4A 拉电流的高输出电流能力以及600V 额定值、因此非常适合用于在图腾柱等无桥 PFC 拓扑的慢速桥臂上驱动这些高功率 MOSFET。 市场上的许多图腾柱 PFC 的输出约为400V。 125ns 的低传播延迟和20ns 的延迟匹配以及 HO 和 LO 15ns 的上升和下降时间有助于实现这些系统所需的最大效率。 此器件可处理图腾柱 PFC 的400V 典型电压以及控制这些系统所需的大电源开关。
UCC21551 是一款隔离式双通道栅极驱动器、非常适用于在高达250kHz 的高频率下驱动此类高功率 MOSFET 具有4A 峰值拉电流和6A 峰值灌电流、其传播延迟为33ns、最大延迟匹配为5ns。 其最大总线电压为2121V、UVLO 保护为12V 或17V、由于容差高于典型的400V 图腾柱 PFC、因此该器件非常适合在此系统中使用。
总之、由于使用 MOSFET 和栅极驱动器能够实现开关功能和控制功能、图腾柱 PFC 比升压或无源 PFC 等其他拓扑具有更高的效率和更好的电源质量。 对于电源和逆变器等系统而言、这对于服务器、电信、IT、工业、太阳能、 电机驱动和 UPS 系统。
可在"功率因数校正(PFC)基础知识和设计注意事项"视频系列中找到了解 PFC 的其他资源。 此外、还可以在《电动汽车充电站的电源拓扑注意事项》中对电源拓扑进行进一步研究。
"不同功率因数校正(PFC)拓扑的栅极驱动器需求回顾"应用手册中进一步讨论了与栅极驱动器有关的功率因数校正。
