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何时以及如何使用无桥图腾柱功率因数校正
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2022-11-24
李辉
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高功率因数 (PF) 和高效率是服务器、网络、5G 电信、工业系统、电动汽车和一系列其他应用中使用的 AC-DC 电源的关键要求。然而，电源设计人员面临的挑战是同时满足 IEC 61000-3-2 等标准的 PF 和电磁兼容性 (EMC) 要求，以及 EnergyStar 最新的 80 PLUS Titanium 效率标准。后者要求在 10% 负载时效率至少为 90%，在满负载时效率至少为 94%。传统的升压 PF 校正 (PFC) 拓扑可以提供高 PF 和良好的 EMC，但包含一个效率相对较低的二极管电桥，因此难以满足预期的效率标准。高功率因数 (PF) 和高效率是服务器、网络、5G 电信、工业系统、电动汽车和一系列其他应用中使用的 AC-DC 电源的关键要求。然而，电源设计人员面临的挑战是同时满足 IEC 61000-3-2 等标准的 PF 和电磁兼容性 (EMC) 要求，以及 EnergyStar 最新的 80 PLUS Titanium 效率标准。后者要求在 10% 负载时效率至少为 90%，在满负载时效率至少为 94%。传统的升压 PF 校正 (PFC) 拓扑可以提供高 PF 和良好的 EMC，但包含一个效率相对较低的二极管电桥，因此难以满足预期的效率标准。用无桥图腾柱 PFC 拓扑取代二极管电桥可提供高 PF 和高效率。然而，这会带来更大的复杂性，因为拓扑结构包括两个控制环路：一个以线路频率运行的慢速环路用于整流，一个高频环路用于升压部分。从头开始设计两个控制回路是一个耗时的过程，可能会延迟上市时间，并导致解决方案成本更高、规模更大。用无桥图腾柱 PFC 拓扑取代二极管电桥可提供高 PF 和高效率。然而，这会带来更大的复杂性，因为拓扑结构包括两个控制环路：一个以线路频率运行的慢速环路用于整流，一个高频环路用于升压部分。从头开始设计两个控制回路是一个耗时的过程，可能会延迟上市时间，并导致解决方案成本更高、规模更大。为了应对这些挑战，设计人员可以改用针对无桥图腾柱 PFC 设计进行优化的 PFC 控制器 IC。这些控制器具有内部补偿数字环路，无需霍尔效应传感器即可实施逐周期电流限制，并可与硅 MOSFET 或宽带隙 (WBG) 开关器件（例如碳化硅 (SiC) 或氮化镓）一起使用（氮化镓）。由此产生的 PFC 可以在 90 至 265 伏交流输入下运行，效率高达 99%。为了应对这些挑战，设计人员可以改用针对无桥图腾柱 PFC 设计进行优化的 PFC 控制器 IC。这些控制器具有内部补偿数字环路，无需霍尔效应传感器即可实施逐周期电流限制，并可与硅 MOSFET 或宽带隙 (WBG) 开关器件（例如碳化硅 (SiC) 或氮化镓）一起使用（氮化镓）。由此产生的 PFC 可以在 90 至 265 伏交流输入下运行，效率高达 99%。本文简要回顾了 AC-DC 电源需要满足的行业标准，比较了各种 PFC 拓扑的性能，并确定了无桥图腾柱 PFC 何时是最佳选择。然后介绍了本文简要回顾了 AC-DC 电源需要满足的行业标准，比较了各种 PFC 拓扑的性能，并确定了无桥图腾柱 PFC 何时是最佳选择。然后介绍了onsemionsemi针对无桥图腾柱 PFC 优化的控制器 IC，以及支持组件、评估板和设计建议，以加快开发过程。针对无桥图腾柱 PFC 优化的控制器 IC，以及支持组件、评估板和设计建议，以加快开发过程。效率可能很复杂效率可能很复杂电源效率比它最初看起来的要复杂得多，因为它包括交流和直流分量。简单效率是输入功率与输出功率之比。然而，典型的 AC-DC 电源的输入功率不是纯正弦波，导致从交流电源汲取的同相和异相功率之间存在差异。这种差异被认为是 PF。要完整描述 AC-DC 电源的效率，需要同时包括 DC 效率和 PF。更具挑战性的是，效率曲线并不平坦：效率和 PF 会随着输入电压和输出负载等参数而变化。电源效率比它最初看起来的要复杂得多，因为它包括交流和直流分量。简单效率是输入功率与输出功率之比。然而，典型的 AC-DC 电源的输入功率不是纯正弦波，导致从交流电源汲取的同相和异相功率之间存在差异。这种差异被认为是 PF。要完整描述 AC-DC 电源的效率，需要同时包括 DC 效率和 PF。更具挑战性的是，效率曲线并不平坦：效率和 PF 会随着输入电压和输出负载等参数而变化。为了考虑这些变量，EnergyStar 等效率标准定义了各种负载水平和不同输入电压下的效率，以及对 PF 的要求（表 1）。最高级别称为“80 PLUS Titanium”，规定 115 伏交流输入在 10% 和 100% 额定负载时的最低效率为 90%，在 50% 额定负载时效率为 94%，加上 PF ≥95 % 在额定负载的 20% 时。230 伏交流输入需要更高的效率。此外，电源应符合 IEC 61000-3-2 标准，该标准对电力线谐波进行了限制。
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