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PFC拓撲比較:交錯式升壓拓撲與圖騰柱拓撲

發布時間:2022-04-29 來源:MPS 責任編輯:wenwei

【導讀】電子設備越來越多地接入電網,這增加了電網的失真幾率,也使配電網絡容易產生問題。為緩解這些問題,電源設計需要先進的功率因數校正 (PFC) 電路來滿足嚴格的功率因數 (PF) 標準。

 

功率因數校正最常用的拓撲是升壓 PFC,但寬禁帶 (WBG) 半導體(如 GaN 和 SiC)的出現推動了圖騰柱 (totem-pole)PFC 等無橋拓撲的實現,而MPF32010等先進的圖騰柱控制器更加簡化了交錯式圖騰柱 PFC 等復雜設計的控制。本文對三種拓撲在不同應用中的使用情況進行了比較,包括交錯式升壓PFC、無橋圖騰柱 PFC 和交錯式圖騰柱 PFC。

 

交錯式升壓 PFC

 

交錯式升壓 PFC 是最常見的功率因數校正拓撲。 這種拓撲除了采用整流二極管橋將交流電壓轉換為直流電壓之外,還包含了升壓變換器(參見圖 1)。 升壓變換器將電壓提升至一個較高的值,這降低了輸出電壓紋波,同時將電流整形為正弦波。

 

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圖 1:交錯式升壓 PFC 原理圖


功率因數的校正僅通過一個升壓變換器即可實現,但設計人員通常會將相互之間存在相移的兩個或多個變換器并聯連接使用。這種交錯連接可以提高效率,同時降低輸入電流紋波。 

 

無橋圖騰柱 PFC

 

將新型半導體材料尤其是碳化硅(SiC)應用于功率開關,可以使之前受制于硅的熱特性與電特性而無法實現的設計變得可行。其中之一即為無橋圖騰柱拓撲,該拓撲集成了整流和升壓級,并提供兩個以不同頻率工作的開關支路(見圖 2)。

 

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圖 2:無橋圖騰柱 PFC 原理圖


第一個分支稱為慢速分支(SD1 和 SD2),以電網頻率(例如 50Hz至60Hz 之間)換向。 它采用傳統硅開關,主要負責對輸入電壓進行整流。第二個分支稱為快速分支(Q1 和 Q2),主要在提升電壓的同時對電流整形,該分支需要以極高的頻率(約 100kHz)進行切換。具有較高頻率的高功率切換會給開關帶來更大的熱應力和電應力,變換器需要利用寬禁帶半導體器件(例如 SiC 和 GaN MOSFETS)才能安全高效地工作。

 

與交錯式升壓變換器相比,這種拓撲通常能改善性能。但額外的有源開關使控制電路變得更加復雜,這個問題通??梢圆捎眉墒綀D騰柱控制器得到緩解。

 

交錯式圖騰柱 PFC

 

為了提高無橋圖騰柱 PFC 的效率,還可以添加額外的高頻分支,創建交錯式圖騰柱 PFC。該額外分支可降低變換器的輸出電壓紋波,并將變換器的功率要求平均分配到所有分支,從而最大限度地減小布局尺寸,降低總成本。

 

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圖 3:交錯式無橋圖騰柱 PFC 原理圖


PFC 拓撲的比較實驗設計

 

操作參數

 

為了比較不同情況下的拓撲結構,我們針對兩個功率級別開發了一系列仿真模型。同時采用相同的系統規格,以使結果具有可比性(見表 1)。

 

表1: 系統規格

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參數比較

 

為進行拓撲比較而定義的關鍵參數如下所述。

 

輸入電流紋波(ΔIIN): ΔIIN表示輸入電流的變化量,通過測量單個開關周期內輸入電流的最大值與最小值之差獲得。ΔIIN用公式 (1) 來計算:

 

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電流總諧波失真(THDI):在沒有濾波器的情況下測量輸入電流中存在的諧波失真可得到 THDI。THDI可以用公式 (2) 估算:

 

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感性能量指數 (IEI) 和容性能量指數 (CEI):這些指數提供變換器每單位功率的電感和電容要求信息(請參見公式 3 和 4),它們與組件的最終尺寸和成本密切相關。IEI 可以用公式 (3) 計算:

 

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CEI可以用公式 (4) 估算:


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總開關功率指數 (TSP):TSP 比較變換器半導體器件每功率單元(類似于硅等效面積)的電壓和電流應力。TSP 與變換器中硅器件的最終成本密切相關。TSP 可以用公式 (5) 計算:

 

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Efficiency (?): 效率 (?):效率用于比較功率因數校正電路中損失的能量。通過計算電路消耗的輸入功率與輸出端可用功率之間的比率(參見公式 5)可以得出效率。它指明了功耗最小的拓撲結構。效率可以用公式 (6) 估算:

 

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圖騰柱 PFC 與交錯式升壓 PFC 的比較結果

 

第一項測試模擬了 300W 應用的所有三種拓撲,這種功率級別通常用于計算機電源。第二項測試模擬了3kW 應用下的拓撲,這種高功率級別通常用于電動汽車充電等應用。

 

通過拓撲比較可以得出每種拓撲的常見特性。然而,這些設計的性能在很大程度上取決于所選擇的器件及其操作參數。因此,設計人員必須認真思考,合理選擇設計,并針對應用審慎優化。為闡明這一點,我們對僅考慮器件損耗的功率損耗進行分析,類似器件可以用于所有拓撲。

 

圖騰柱 PFC 的功耗優勢

 

拓撲比較的第一個關鍵發現是:圖騰柱PFC不包含整流橋,因此減少了開關器件的數量。升壓變換器中的二極管橋始終導通,因此導通損耗是影響該拓撲效率的關鍵因素。低功率時,變換器中的電流相對較小,因此大部分功耗在開關操作期間產生。這也是升壓和圖騰柱 PFC 拓撲在 300W 應用中具有相似效率的原因(參見圖 4)。傳統和交錯式圖騰柱設計中的損耗差別不大,為簡單起見,我們對交錯式升壓變換器和圖騰柱變換器之間的效率進行比較。

 

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圖 4:300W 設計中的功率損耗


當以 3kW 功率運行時,電路中的電流明顯提高,由于整流器二極管中的高等效電阻,升壓拓撲中會產生明顯的傳導損耗。因此,在大功率應用中,圖騰柱 PFC的效率要高得多(參見圖 5)。

 

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圖5: 3kW設計中的功率損耗


交錯式升壓和圖騰柱 PFC拓撲的效率提升

 

升壓和圖騰柱 PFC 拓撲比較的另一個關鍵點是工作模式的比較。圖騰柱拓撲通常工作于連續導通模式 (CCM) ,而交錯式升壓拓撲則工作于臨界導通模式 (CrCM) 。CCM 操作可以顯著降低電感電流紋波和 THDI,而 CrCM 因需要的電感更小而導致更低的感性能量指數 (IEI)(參見圖 6)。

 

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圖6: 輸入電流仿真結果


然而,THDI增大意味著升壓 PFC 需要一個較大的輸入濾波器來滿足電能質量要求,這削弱了無需電感器帶來的益處,如成本和尺寸的降低。此外,CrCM 中的開關電流遠大于 CCM 中的電流,這會增加開關元件的電壓和電流應力(參見圖 7)。

 

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圖 7:流經電感的電流仿真結果


并聯多個變換器可以將電流應力分布在多個相位上,從而提高性能。就其本身而言,單個非交錯式升壓變換器的效率和性能是無法與圖騰柱 PFC相比的。但通過交錯連接多個升壓變換器,性能可以得到明顯提高。因此,交錯式升壓拓撲是中檔功率應用的有效選擇,如上文提到的 300W 示例(參見圖 8)。

 

然而,在高功率下,交錯式升壓變換器的效率卻難以與圖騰柱拓撲相比擬。而且,對3kW 或更高功率的應用,即使是圖騰柱變換器也可受益于交錯式連接。交錯式連接將電流分配到兩個支路上,從而使每個支路的電感都減半,這放寬了電源開關要求,同時也降低了輸入電流紋波。

 

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圖 8:交錯式升壓 PFC 中的電感電流


表 2對三種 PFC 拓撲的不同參數進行了總結。

 

表 2:PFC 拓撲比較仿真結果

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結論

 

本文通過仿真和關鍵參數的比較說明了交錯式升壓、圖騰柱和交錯式圖騰柱 PFC 拓撲的主要特性,幫助設計人員為其應用選擇最佳拓撲。

 

升壓 PFC 拓撲結構簡單,因此成為大多數設計人員的首選解決方案。然而,升壓 PFC 在大功率應用中的效率較低,因此在這種情況下,盡管圖騰柱 PFC 拓撲增加了復雜性,但可能更可取。而且,MPF32010等集成式圖騰柱控制器的引入能夠極大地簡化圖騰柱 PFC 變換器的實現。



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