基于MCU或专用IC的交错式功率因数校正解决方案

功率因数校正（PFC）对于减轻电能质量问题至关重要，因为更多的无功负载源会进入电网。在可用的PFC方法中，交错式PFC方法使工程师能够使用成本更低的组件构建更紧凑的PFC解决方案，但需要高度复杂的控制机制，从而限制了其对设计人员的吸引力。基于MCU或专用IC的交错式PFC解决方案集成了这些控制机制，为设计人员提供了在终端产品中实现高效PFC功能的简化方法。

定义为实际功率与视在功率之比，功率因数表示可用于运行设备的相对功率。设备中的无功负载将功率因数远低于1.实际上，在没有校正的情况下，典型的开关模式电源的功率因数约为0.6，具有相当大的奇次谐波失真。当功率因数低于1时，电压和电流不同相，功率扩散到基频以外的谐波，这些谐波沿中性线传播，以扰乱其他功率消耗。

除了需要为了补偿这些低效率产生更多功率，谐波会在电容器和电缆中产生额外的损耗和介电应力。随着高噪声发射，电动机和变压器绕组中相关的电流增加导致保险丝和其他安全部件的早期故障。通过重新调整电压和电流波形以使它们同相，PFC减少了符合IEC 61000-3-2所要求的谐波，IEC 61000-3-2定义了电气设备发出的谐波限值。

PFC方法

虽然设计人员可以使用无源元件实现PFC，但有源功率校正允许使用更小的电感器，并为处理到达国际市场的产品的不同线电压提供更大的灵活性。有源PFC使用位于输入整流器和输出存储电容之间的开关模式转换器（图1）。在这种方法中，PFC控制电路对输入电流进行整形以匹配输入电压波形。

图1：放置在输入整流器和输出转换器之间，功率因数校正（PFC）电路调整输入电流以匹配输入电压。 （由CN半导体提供）

升压转换器通常是实现PFC的首选转换器拓扑，因为该拓扑结构使用连续输入电流。可以使用平均电流模式控制技术来操纵该输入电流，以迫使输入电流跟踪线电压的变化。此外，升压转换器拓扑结构还可降低电流纹波并实现更简单的栅极驱动器实现。

典型的单相升压PFC转换器是一种相对简单的设计，它结合了桥式整流器，电感器，二极管，开关和输出电容（图2）。实际上，输入桥和诸如EMI滤波器的附加组件通常已经存在于大多数功率转换器中。同时，选择这些组件对于确保有效运行至关重要。

图2：升压转换器拓扑结构是PFC的首选，简化了输入电流的操作，以跟踪输入电压的变化。 （由Freescale Semiconductor提供）

更新的器件通过在单个器件上集成简单单级PFC转换器的大部分或全部元件来简化元件选择和匹配 - 只需很少的额外元件即可实现PFC。事实上，Power Integrations HiperPFS系列的成员，如Power Integrations PFS7523，不仅集成了连续导通模式（CCM）升压PFC控制器和栅极驱动器，还集成了包括超低反向恢复二极管和高压电源的电源组件。 MOSFET。 HiperPFS器件无需外部电流检测电阻和相关的功率损耗，采用专有控制技术，可在输出负载，输入线电压甚至输入线周期内调节开关频率。

Interleaved PFC设计

传统的单级PFC控制器设计仍然依赖于适当大的电感器，并且需要大量滤波以减少高频纹波。另一种拓扑结构取代了单个PFC升压转换器，其中两个交错转换器的相位相差180°。

这种交错方法显着降低了输入电流和电流流入的高频纹波分量。 PFC预调节器的输出电容器。与相同功率的单相PFC级相比，输入电流上的纹波减小意味着设计人员可以使用更小的输入电容并降低EMI滤波。此外，降低高频纹波电流进入PFC输出电容意味着设计人员可以减小其尺寸和成本。最后，每相中降低纹波和降低平均电流的组合允许使用比传统单相设计更小的电感器尺寸。

设计人员可以实现具有高度集成数字的交错式PFC设计 - 信号控制器（DSC），如Microchip Technology DSPIC33FJ06GS202或Freescale Semiconductor MC56F8006。这些DSC将高性能处理器内核与片上外设相结合，包括模数转换器（ADC），脉冲宽度调制器（PWM）和模拟比较器。在这种方法中，DSC使用其片上ADC来监控整个输入电压和电流，输出电压以及每级的MOSFET电流（图3）。反过来，该器件使用其集成的PWM来控制每个转换器中的开关，同时继续监控两个转换器开关电流，以确保两个级之间的负载均等共享。

图3：数字信号控制器结合了监控输入电压VAC和电流IAC以及输出直流电压VDC所需的模拟外设以及在测量开关电流（IM1，IM2）的同时驱动每个控制器级，以确保相等的负载分配。 （由Microchip Technology提供）

这种并行转换器方法的主要缺点是两个转换器的频率不相同，需要确保其精确同步的方法。过去，这一要求增加了实施适当监测和控制所需的附加电路的复杂性。集成DSC的使用消除了对额外控制设备的需求。然而，设计人员仍然需要实施所需的复杂控制算法，以确保并行转换器精确地以180°异相工作（图4）。

图4：交错式PFC依赖于详细的测量和控制算法，以确保并行控制器的精确同步。 （由Microchip Technology提供）

集成解决方案

专用IC为交错式PFC设计提供了一种更简单的方法，将完整的控制逻辑与所需的外设功能集成在一起。使用这些高度集成的器件，工程师只需添加桥式整流器和并联升压转换器即可实现PFC（图5）。

图5：德州仪器（TI）UCC28070等专用IC集成了将PFC与最少的附加组件交错所需的全面功能。 （德州仪器公司提供）

例如，德州仪器UCC28070设计用于在CCM PFC设计中以180°异相操作两个并行控制器。该器件的两个独立电流放大器可确保两个PWM输出中的匹配平均电流模式控制，同时保持稳定，低失真的正弦输入线电流。虽然交错式PFC通常只包含一对并联转换器，但设计人员可以将多个UCC28070组合在一起，为更高功率的应用提供偶数个附加相位，并实现更高水平的输入和输出纹波电流消除。

BCM解决方案

虽然CCM PFC为转换器吞吐功率提供了低峰值平均电流比，但它在开关输出二极管的影响方面存在缺点。在CCM中，当MOSFET导通时，正向电流通常会流过二极管。由于少数载流子的复合较慢，这些高压二极管通常会受到延长的反向恢复，这会增加损耗和振铃并最终产生高频EMI谐波。

相反，关键时刻 - 导通模式（有时称为边界导通模式［BCM］或过渡模式），允许电感电流在MOSFET的下一个开关周期开始之前完全达到零。升压二极管的零电流开关允许使用较便宜的二极管而不牺牲效率。此外，由于纹波电流消除和开关频率有效加倍，输入和输出滤波器可以更小。

飞兆半导体FAN9611MX和德州仪器UCC28063等器件是集成PFC控制器IC，专为交错式BCM PFC的实现。这些专用器件的一个关键特性是BCM工作所需的片上零检测电路：BCM设计以可变频率工作，每当电感器中的电流达到零时启动一个开关周期。

通常，零电流检测器使用电感上辅助绕组的电压监测电感电流，以间接检测电感电流何时达到零。虽然最简单的检测零交叉的方法是在测量波形上使用比较器阈值，但当电感两端的电压为零时，电感电流实际上处于其最大负值（图6）。如果MOSFET此时导通，则存储在寄生电容中的所有能量将被分流到地，从而导致功率损耗。飞兆半导体FAN9611MX的内部检测电路包括一个差分器，能够检测检测电压斜率的变化，使其能够捕获检测波形的波谷并提供更高效的操作。

图6：高级交错式BCM PFC IC，如飞兆半导体FAN9611MX，通过检测感应电压斜率的变化而不是只是它的零交叉。 （Fairchild Semiconductor提供）