利用寬帶隙半導體和數(shù)字控制設(shè)計更有效的功率因數(shù)校正電路

作者：Jeff Shepard

為了最大限度地提高交流市電供電設(shè)備（包括 AC/DC 電源、電池充電器、基于電池的儲能系統(tǒng)、電機驅(qū)動器和不間斷電源）的效率，功率因數(shù)校正 （PFC）必不可少。其重要性在于，一些法規(guī)規(guī)定了特定類型電子設(shè)備的最低功率因數(shù) （PF） 水平。

設(shè)計人員面對在不斷縮小的外形尺寸內(nèi)提高整體性能的持續(xù)壓力，為了符合這些法規(guī)，他們正在轉(zhuǎn)向利用數(shù)字控制技術(shù)和寬帶隙半導體（如碳化硅 （SiC） 和氮化鎵（GaN））進行有源 PFC 設(shè)計。

本文回顧了 PF 的概念和定義，包括 IEEE 和 IEC 及相關(guān)標準之間的不同定義。然后介紹來自STMicroelectronics、Transphorm、Microchip Technology 和 Infineon Technologies 等供應商的
PFC 解決方案，設(shè)計人員可使用這些解決方案實現(xiàn)采用寬帶隙半導體和數(shù)字控制的 PFC，包括使用評估板。

什么是功率因數(shù)校正，為什么需要它？

PF 是反映系統(tǒng)中無功功率水平的指標。無功功率不是真正的功率，而是代表彼此異相的電壓和電流影響（圖
1）。由于它們是異相的，因此不能為工作做出有效的貢獻，但仍然表現(xiàn)為交流市電供電線的負載。系統(tǒng)中無功功率的大小是衡量能量傳輸效率低下程度的一個指標。有源 PFC利用電力電子技術(shù)改變負載所消耗的電流波形的相和/或形狀，以提高 PF。PFC 的使用提高了整體系統(tǒng)效率。

線性或非線性負載中都可能出現(xiàn)不良 PF。非線性負載會使電壓波形或電流波形失真，或兩者都失真。當涉及非線性負載時，稱為失真 PF。

線性負載不會使輸入波形的形狀失真，但可能會因其電感和/或電容而改變電壓和電流之間的相對時序（相位）（圖2）。若電路主要包含電阻負載（例如，白熾燈和加熱元件），則具有接近 1.0 的PF，但若包含感性或容性負載（例如，開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器、電動機、電磁閥、變壓器和燈鎮(zhèn)流器），則具有遠低于 1.0 的 PF。

大多數(shù)電子負載不是線性的。非線性負載的實例包括開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器和電弧放電裝置，如熒光燈、電焊機或電弧爐。由于這些系統(tǒng)中的電流因開關(guān)動作而中斷，所以電流中含有的頻率分量是電源系統(tǒng)頻率的倍數(shù)。失真PF 是衡量負載電流的諧波失真對傳輸?shù)截撦d的平均功率的降低程度指標。

滯后與超前 PF 的區(qū)別

滯后 PF 表示電流滯后于電壓，超前 PF 表示電流領(lǐng)先于電壓。對于感性負載（例如感應電機、線圈和某些燈），電流滯后于電壓，從而產(chǎn)生滯后PF。對于容性負載（例如同步調(diào)相機、電容器組和電子電源轉(zhuǎn)換器），電流領(lǐng)先于電壓，從而導致超前 PF。

滯后或超前的區(qū)別不等于正值或負值。PF 值前面的正負號是由所用的標準（IEC 或 IEEE）決定。

PF 以及 IEEE 與 IEC 比較

圖 4 中的圖表顯示了 IEEE 和 IEC 標準下千瓦 （kW） 功率、伏安無功 （var）功率、功率因數(shù)和感性或容性負載之間的相關(guān)性。每個組織使用不同的度量標準對 PF 進行分類。

根據(jù) IEC 的規(guī)定（圖 4 中的左圖），PF 符號僅取決于實際功率流的方向，與負載是感性還是容性無關(guān)。根據(jù) IEEE 的規(guī)定（圖 4 中的右圖），PF符號僅取決于負載的性質(zhì)（即容性還是感性）。在這種情況下，它與實際功率流的方向無關(guān)。對于感性負載，PF 為負。對于容性負載，PF 為正。

PF 標準

歐盟等監(jiān)管機構(gòu)已設(shè)定了諧波限值，以提高 PF。為了符合現(xiàn)行歐盟標準 EN61000-3-2（基于 IEC 61000-3-2），輸出功率大于 75 W的所有開關(guān)模式電源必須包括 PFC。EnergyStar 的 80 PLUS 電源認證要求額定輸出功率 100% 時的 PF 為 0.9或更高，并且要求采用有源 PFC。在撰寫本文時，IEC 標準的最新版本是：IEC 61000-3-2:2018，“電磁兼容性 （EMC） - 第 3-2部分：限制 - 諧波電流發(fā)射限制（設(shè)備每相輸入電流 ≤ 16 A）”。

未經(jīng)校正的開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器不符合當前的 PFC 標準。一個 PF 影響因素是使用的交流輸入類型：單相還是三相。未經(jīng)校正的單相開關(guān)電源通常具有約 0.65至 0.75 的 PF（使用上述 IEEE 的 PF符號約定）。這是因為大多數(shù)電源使用整流器/電容器前端來產(chǎn)生直流總線電壓。這種配置僅在每個線路周期的峰值處汲取電流，從而產(chǎn)生狹窄的高電流脈沖，導致較差的PF（參見上面的圖 3）。

未經(jīng)校正的三相開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器具有更高的 PF，通常接近 0.85（同樣使用 IEEE 的 PF符號約定）。這是因為，即使利用整流器/電容來產(chǎn)生直流總線電壓，也有三相可以額外提高總體 PF。但是，無論是單相還是三相開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器，如果不使用有源 PF校正電路，都無法滿足現(xiàn)行 PF 法規(guī)要求。

利用 WBG 半導體和數(shù)字控制元件設(shè)計有源 PFC

利用數(shù)字控制技術(shù)和寬帶隙功率半導體（包括 GaN 和 SiC），設(shè)計人員有了新的有源 PFC 電路每相。與基于模擬控制的有源 PFC 設(shè)計或無源 PFC設(shè)計相比，這些電路可以提供更高的效率和功率密度。

設(shè)計人員可以用先進的數(shù)字控制技術(shù)來取代模擬控制器，或者用額外的數(shù)字控制元件（包括微控制器）來補充模擬控制，以實現(xiàn)最大的 PFC 性能。在某些情況下，WBG半導體也可用于提高 PFC 性能。

元器件成本的下降加速了兩種不同 PFC 方法的實現(xiàn)：交錯設(shè)計和無橋設(shè)計。每種方法具有不同的優(yōu)勢：

交錯式 PFC 的優(yōu)勢：

效率更高

改善熱分布

減小了通過 PFC 級的 RMS 電流

模塊化

無橋 PFC 的優(yōu)勢：

效率更高

輸入整流損耗減半

改善熱分布

更高的功率密度

三通道交錯式 PFC 控制器組合利用了模擬與數(shù)字控制技術(shù)

STMicroelectronics 的 STNRGPF01 控制器是一款可配置 ASIC，組合利用了數(shù)字和模擬控制技術(shù)，一個交錯式 PFC最多可驅(qū)動的三個通道（圖 5）。該器件工作在固定頻率的連續(xù)導通模式 （CCM）下，采用平均電流模式控制，并實現(xiàn)了混合信號（模擬/數(shù)字）控制。模擬內(nèi)部電流回路由硬件執(zhí)行，確保逐周期調(diào)節(jié)。外部電壓回路由數(shù)字式比例積分 （PI）控制器執(zhí)行，具有快速動態(tài)響應。

STNRGPF01 實現(xiàn)了靈活的切相策略，可以根據(jù)實際負載情況正確地設(shè)置 PFC 通道數(shù)。利用此功能，STNRGPF01始終能夠在各種負載電流要求下保證最高的電源效率。

該控制器實現(xiàn)了幾個功能：涌流控制、軟啟動、猝發(fā)模式冷卻管理和狀態(tài)指示。另外還具有全套嵌入式過壓、過流和熱故障保護功能。

為了幫助設(shè)計人員入門，STMicroelectronics 還提供了基于 STNRGPF01 的 STEVAL-IPFC01V1 3 kW PFC電源管理評估板（圖 6）。特性和規(guī)格包括：

輸入電壓范圍：90 至 265 VAC

線路頻率范圍：47 至 63 Hz

最大輸出功率：230 V 時 3 kW

輸出電壓：400 V

PF：20% 負載下 》0.98

總諧波失真：20% 負載下 《5%

混合信號控制

開關(guān)頻率：111 kHz

逐周期調(diào)節(jié)（模擬電流控制回路）

輸入電壓和負載前饋

切相

猝發(fā)模式操作

除 STNRGPF01 混合信號控制器外，該評估板還包括 STW40N60M2 N 溝道 600 V 34 A 低 Qg 硅功率 MOSFET 和 PM8834TR 柵極驅(qū)動器 IC。

采用 GaN FET 的無橋圖騰柱 PFC

無橋 PFC 拓撲的開發(fā)目的是為了消除與使用二極管橋式整流相關(guān)的壓降和低效率。由于 GaN 和 SiC 等 WBG 功率半導體的出現(xiàn)，無橋圖騰柱 PFC得以實現(xiàn)（圖 7）。在傳統(tǒng)的圖騰柱設(shè)計 （a） 中，兩個 GaN FET 和兩個二極管用于線路整流。在無橋圖騰柱改型 （b） 中，二極管被兩個低電阻硅MOSFET 取代，以消除二極管的電流-電壓 （IV） 降，從而提高效率。

與硅 MOSFET 相比，GaN 高電子遷移率晶體管 （HEMT） 的反向恢復電荷 （Qrr） 要小得多，這使無橋圖騰柱設(shè)計非常實用（圖 8）。在這個采用CCM 模式的圖騰柱 PFC 的簡化示意圖中，重點是使傳導損耗最小化。

電路包括兩個快速開關(guān) GaN HEMT（Q1 和 Q2）和兩個較低電阻 MOSFET（S1 和 S2）。Q1 和 Q2 在高脈沖寬度調(diào)制 （PWM）頻率下工作，用作升壓轉(zhuǎn)換器。S1 和 S2 在慢得多的線路頻率 （50 Hz/60 Hz）下工作，用作同步整流器。初級電流路徑僅包括一個快速開關(guān)和一個慢速開關(guān)，沒有二極管壓降。S1 和 S2 的作用是同步整流器，如 8（b） 和 8（c）所示。在正交流周期期間，S1 導通，S2 關(guān)斷，使連接到負端的交流零線連接到直流輸出。負周期情況則相反。

為了實現(xiàn) CCM
操作模式，從晶體管的體二極管必須充當反激二極管，以使電感電流在空載時間內(nèi)流動。但是，一旦主開關(guān)導通，二極管電流必須迅速降至零并轉(zhuǎn)換至反向阻斷狀態(tài)。這就是圖騰柱PFC 的關(guān)鍵過程，其中由于高壓硅 MOSFET 體二極管具有高 Qrr，因而會導致異常尖峰、不穩(wěn)定和相關(guān)的高開關(guān)損耗。GaN 開關(guān)的低 Qrr允許設(shè)計人員克服這一障礙。

設(shè)計人員可以使用 Transphorm 的 TDTTP4000W066C 4 kW 無橋圖騰柱 PFC 評估板，來研究電路的運行情況。該評估板使用Microchip Technology 的 MA330048 dsPIC33CK256MP506 數(shù)字電源插件模塊 （PIM）作為控制器。Transphorm 的第四代 （SuperGaN） TP65H035G4WS GaN FET實現(xiàn)了較高效率的單相轉(zhuǎn)換。在電路的快速開關(guān)分支電路中采用 Transphorm 的 GaN FET，在慢速開關(guān)分支點路中采用低電阻 MOSFET將使性能和效率同時獲得提升。

雙向圖騰柱 PFC 組合利用了硅 FET 和 SiC FET

對于電網(wǎng)交互式電池電動汽車和電池儲能系統(tǒng)的設(shè)計人員，Infineon 提供了 EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1
評估板，這是一款具有雙向功率能力的 3300 W 圖騰柱 PF 校正器（圖 9）。該無橋圖騰柱 PFC 板實現(xiàn)了 72瓦/立方英寸的高功率密度。EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 板上實現(xiàn)的圖騰柱在整流器 （PFC） 和逆變器模式下均工作于 CCM 模式，并使用Infineon 的 XMC1000 系列微控制器實現(xiàn)全數(shù)字控制。

這個圖騰柱 PFC 結(jié)合利用 Infineon 的 IMZA65R048M1 64 毫歐 （m?），650 V，CoolSiC SiC MOSFET 及其IPW60R017C7 17 m?、600 V、CoolMOS C7 硅功率 MOSFET。該轉(zhuǎn)換器專門以 CCM 模式工作在高壓線路（最低 176Vrms，標稱 230 Vrms）上，開關(guān)頻率為 65 kHz，半載時效率最高可達 99%。這款 3300 W 雙向（PFC/AC-DC和逆變器/AC-DC）圖騰柱解決方案中使用的其他 Infineon 器件包括：

2EDF7275FXUMA1 隔離式柵極驅(qū)動器

ICE5QSAGXUMA1 QR 反激控制器，帶 IPU95R3K7P7 950 V CoolMOS P7 MOSFET，用于偏置輔助電源

XMC1404 微控制器，用于實現(xiàn) PFC 控制

總結(jié)

低 PF 會給公用電網(wǎng)和電源轉(zhuǎn)換器帶來效率低下的問題，因此 PFC 對于各種交流市電設(shè)備來說必不可少，并且法規(guī)規(guī)定了特定類型電子設(shè)備的最低 P水平。為了在滿足更小外形尺寸和更高性能要求的同時符合這些法規(guī)要求，設(shè)計人員需要一個能替代簡單、低成本無源 PFC 技術(shù)的方案。

如本文所述，設(shè)計人員可以使用數(shù)字控制技術(shù)及 SiC 和 GaN 等 WBG 半導體實現(xiàn)有源 PFC 設(shè)計，從而讓設(shè)計實現(xiàn)更高的 PF和更緊湊的外形。