PFC 拓扑比较:交错式升压拓扑与图腾柱拓扑

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简介

电子设备越来越多地接入电网,这增加了电网的失真几率,也使配电网络容易产生问题。为缓解这些问题,电源设计需要先进的功率因数校正 (PFC) 电路来满足严格的功率因数 (PF) 标准。

功率因数校正最常用的拓扑是升压 PFC,但宽禁带 (WBG) 半导体(如 GaN 和 SiC)的出现推动了图腾柱 (totem-pole)PFC 等无桥拓扑的实现,而MPF32010等先进的图腾柱控制器更加简化了交错式图腾柱 PFC 等复杂设计的控制。本文对三种拓扑在不同应用中的使用情况进行了比较,包括交错式升压PFC、无桥图腾柱 PFC 和交错式图腾柱 PFC。

交错式升压 PFC

交错式升压 PFC 是最常见的功率因数校正拓扑。 这种拓扑除了采用整流二极管桥将交流电压转换为直流电压之外,还包含了升压变换器(参见图 1)。 升压变换器将电压提升至一个较高的值,这降低了输出电压纹波,同时将电流整形为正弦波。

图 1:交错式升压 PFC 原理图

功率因数的校正仅通过一个升压变换器即可实现,但设计人员通常会将相互之间存在相移的两个或多个变换器并联连接使用。这种交错连接可以提高效率,同时降低输入电流纹波。

无桥图腾柱 PFC

将新型半导体材料尤其是碳化硅(SiC)应用于功率开关,可以使之前受制于硅的热特性与电特性而无法实现的设计变得可行。其中之一即为无桥图腾柱拓扑,该拓扑集成了整流和升压级,并提供两个以不同频率工作的开关支路(见图 2)。

图 2:无桥图腾柱 PFC 原理图

第一个分支称为慢速分支(SD1 和 SD2),以电网频率(例如 50Hz至60Hz 之间)换向。 它采用传统硅开关,主要负责对输入电压进行整流。第二个分支称为快速分支(Q1 和 Q2),主要在提升电压的同时对电流整形,该分支需要以极高的频率(约 100kHz)进行切换。具有较高频率的高功率切换会给开关带来更大的热应力和电应力,变换器需要利用宽禁带半导体器件(例如 SiC 和 GaN MOSFETS)才能安全高效地工作。

与交错式升压变换器相比,这种拓扑通常能改善性能。但额外的有源开关使控制电路变得更加复杂,这个问题通常可以采用集成式图腾柱控制器得到缓解。

交错式图腾柱 PFC

为了提高无桥图腾柱 PFC 的效率,还可以添加额外的高频分支,创建交错式图腾柱 PFC。该额外分支可降低变换器的输出电压纹波,并将变换器的功率要求平均分配到所有分支,从而最大限度地减小布局尺寸,降低总成本。

图 3:交错式无桥图腾柱 PFC 原理图

PFC 拓扑的比较实验设计

操作参数

为了比较不同情况下的拓扑结构,我们针对两个功率级别开发了一系列仿真模型。同时采用相同的系统规格,以使结果具有可比性(见表 1)。

表1: 系统规格

参数比较

为进行拓扑比较而定义的关键参数如下所述。

输入电流纹波(ΔIIN): ΔIIN表示输入电流的变化量,通过测量单个开关周期内输入电流的最大值与最小值之差获得。ΔIIN用公式 (1) 来计算:

电流总谐波失真(THDI):在没有滤波器的情况下测量输入电流中存在的谐波失真可得到 THDI。THDI可以用公式 (2) 估算:

感性能量指数 (IEI) 和容性能量指数 (CEI):这些指数提供变换器每单位功率的电感和电容要求信息(请参见公式 3 和 4),它们与组件的最终尺寸和成本密切相关。IEI 可以用公式 (3) 计算:

CEI可以用公式 (4) 估算:

总开关功率指数 (TSP):TSP 比较变换器半导体器件每功率单元(类似于硅等效面积)的电压和电流应力。TSP 与变换器中硅器件的最终成本密切相关。TSP 可以用公式 (5) 计算:

Efficiency (ƞ): 效率 (ƞ):效率用于比较功率因数校正电路中损失的能量。通过计算电路消耗的输入功率与输出端可用功率之间的比率(参见公式 5)可以得出效率。它指明了功耗最小的拓扑结构。效率可以用公式 (6) 估算:

图腾柱 PFC 与交错式升压 PFC 的比较结果

第一项测试模拟了 300W 应用的所有三种拓扑,这种功率级别通常用于计算机电源。第二项测试模拟了3kW 应用下的拓扑,这种高功率级别通常用于电动汽车充电等应用。

通过拓扑比较可以得出每种拓扑的常见特性。然而,这些设计的性能在很大程度上取决于所选择的器件及其操作参数。因此,设计人员必须认真思考,合理选择设计,并针对应用审慎优化。为阐明这一点,我们对仅考虑器件损耗的功率损耗进行分析,类似器件可以用于所有拓扑。

图腾柱 PFC 的功耗优势

拓扑比较的第一个关键发现是:图腾柱PFC不包含整流桥,因此减少了开关器件的数量。升压变换器中的二极管桥始终导通,因此导通损耗是影响该拓扑效率的关键因素。低功率时,变换器中的电流相对较小,因此大部分功耗在开关操作期间产生。这也是升压和图腾柱 PFC 拓扑在 300W 应用中具有相似效率的原因(参见图 4)。传统和交错式图腾柱设计中的损耗差别不大,为简单起见,我们对交错式升压变换器和图腾柱变换器之间的效率进行比较。

图 4:300W 设计中的功率损耗

当以 3kW 功率运行时,电路中的电流明显提高,由于整流器二极管中的高等效电阻,升压拓扑中会产生明显的传导损耗。因此,在大功率应用中,图腾柱 PFC的效率要高得多(参见图 5)。

图5: 3kW设计中的功率损耗

交错式升压和图腾柱 PFC拓扑的效率提升

升压和图腾柱 PFC 拓扑比较的另一个关键点是工作模式的比较。图腾柱拓扑通常工作于连续导通模式 (CCM) ,而交错式升压拓扑则工作于临界导通模式 (CrCM) 。CCM 操作可以显著降低电感电流纹波和 THDI,而 CrCM 因需要的电感更小而导致更低的感性能量指数 (IEI)(参见图 6)。

图6: 输入电流仿真结果

然而,THDI增大意味着升压 PFC 需要一个较大的输入滤波器来满足电能质量要求,这削弱了无需电感器带来的益处,如成本和尺寸的降低。此外,CrCM 中的开关电流远大于 CCM 中的电流,这会增加开关元件的电压和电流应力(参见图 7)。

图 7:流经电感的电流仿真结果

并联多个变换器可以将电流应力分布在多个相位上,从而提高性能。就其本身而言,单个非交错式升压变换器的效率和性能是无法与图腾柱 PFC相比的。但通过交错连接多个升压变换器,性能可以得到明显提高。因此,交错式升压拓扑是中档功率应用的有效选择,如上文提到的 300W 示例(参见图 8)。

然而,在高功率下,交错式升压变换器的效率却难以与图腾柱拓扑相比拟。而且,对3kW 或更高功率的应用,即使是图腾柱变换器也可受益于交错式连接。交错式连接将电流分配到两个支路上,从而使每个支路的电感都减半,这放宽了电源开关要求,同时也降低了输入电流纹波。

图 8:交错式升压 PFC 中的电感电流

表 2对三种 PFC 拓扑的不同参数进行了总结。

表 2:PFC 拓扑比较仿真结果

结论

本文通过仿真和关键参数的比较说明了交错式升压、图腾柱和交错式图腾柱 PFC 拓扑的主要特性,帮助设计人员为其应用选择最佳拓扑。

升压 PFC 拓扑结构简单,因此成为大多数设计人员的首选解决方案。然而,升压 PFC 在大功率应用中的效率较低,因此在这种情况下,尽管图腾柱 PFC 拓扑增加了复杂性,但可能更可取。而且,MPF32010等集成式图腾柱控制器的引入能够极大地简化图腾柱 PFC 变换器的实现。

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