论文部分内容阅读
引言
在节能倡议的推动下，对功率因子校正(Power Factor Correction，PFC)的需求不断成长。PFC利用降低峰值电流，把谐波电流减到最少，从而减少配电网的能耗。照明、电源和动作控制(motion control)领域的最新节能法例草案的推出，将进一步增加市场对PFC的需求。例如，相比简单TRIAC控制驱动的感应电机，逆变器驱动的永磁同步电机拥有更高的效率、但功率因子却较差；但只要额外增加一个PFC级就可以提高功率因子，降低损耗，减少配电网中谐波电流引发的问题。所以，PFC级必须具有很高的效率，这样才不会削弱采用新型电机所带来的好处。
模拟控制电路整合度的提高，催生出可进一步提高效率的最新PFC技术。对于300W至1000W以上的输入功率级，交错式临界传导模式(boundary conduction mode，BCM)PFC方案是非交错式连续传导模式(continuous conduction mode，CCM)PFC方法的良好替代方案。本文将概述交错式BCM PFC的工作原理及优点。
运作原理
交错式的运作原理是一种十分成熟、广泛运用于功率电子产品的技术。大多数微处理器都由多相同步降压电源驱动。在交错技术中，有两个或更多的并联输出级，每一个的开关时间均不同。BCM PFC和CCM PFC都可以采用这种技术。大多数PFC方法采用了一个升压级，而两个交错式输出级共享同一个输出电容。如图1所示。
交错式运作的第一个特性是输入和输出级上的PFC纹波电流同时被降低。这两个级与一个特殊电路同步，确保彼此能180度异相开关。这个同步电路的性能也许是交错式BCM控制器最关键的部分。同步的困难性是该项技术未能及早应用的主要原因之一，这些内容稍后阐述。
在一个完全同步的交错式BCM PFC系统中，第一相的电流消耗量会部分抵消掉第二相的电流，如图2所示。整体输入电流和电容电流的纹波成分要低得多，频率是各级纹波频率的两倍。这些因素简化了用来减少输入纹波电流谐波成分，以满足EMI标准要求所需的EMI滤波器规格计算。如果采用相同的电容，流经输出电容的纹波电流将会减少，可以延长系统寿命；而若改变输出电容大小以配合更低的额定纹波电流，系统体积和成本便得以降低。
交错式运作的第二个特性是流经每一级的电流都会减半。如果交错式方案中采用的MOSFET的RDS(ON)正好是非交错式中的两倍，或者说，如果这些开关所用的硅面积相同，这对传导损耗没有任何影响。不过在这种情况下，开关损耗可能会降低。较小的MOSFET的栅极电荷只有一半，并只在非交错式方案的一半电流时进行开关，这样一来，每个器件的开关损耗只有四分之一，或总体开关损耗减半。这里需要考虑诸如更高的开关dv/dt等效应。
由于交错式控制器采用比标准BCM控制器更先进的技术，故有可能进一步提高开关效率。快捷半导体公司的FAN9612交错式BCM PFC控制器具有两项显著优点，能够提高升压电路的效率。其一是毋须额外的RC延时电路就可以准确执行零电压开关点的检测。标准BCM控制器在升压电感线圈过零时导通，而FAN9612则在零电流点进行开关。第二个优点是采用两个单独的感测电阻来检测每个MOSFET的实际过流情况，这不仅增强了系统可靠性，还降低了总体电阻损耗。
纹波电流的减少、纹波电流频率的增加，以及效率的提高，使交错式运作功率范围扩大了两倍以上。比如标准BCM PFC的最大应用功率为300W，而交错式BCM PFC则可达800W或以上。
交错式BCM PFC与标准CCM PFC的比较
在BCM PFC级中运用交错方式，能把工作功率扩大到了原来非交错式CCM PFC级的覆盖范围。这时，传统的非交错式BCM与CCM比较已不再适用，故比较这两种方案自身优点是十分重要的。
讨论的第一点是电感尺寸。以拥有宽输入范围(85Vac-265Vac)的400W电源设计为例，利用FAN9612的应用手册上的计算结果，可得到220uH电感量以及7A峰值电流。而利用CCM控制器，在相同条件下得到的电感量为790uH，峰值电流为8A。值得注意的还有对于非交错式BCM控制器，在相同功率级下，电感的规格为110uH和14A，这进一步说明了在同一功率级下，非交错式BCM性能较差的原因。
对于小巧型设计，400W的交错式BCM PFC电源可采用两个基于PQ3220磁芯的电感。而CCM PFC采用的磁芯尺寸估计在PQ4040左右。
第二个考虑事项是升压二极管的反向恢复损耗。在连续传导模式中，当有电流流经时，升压二极管便会进行开关。由于在导通期间这个电流流经了升压MOSFET，故导致额外的开关损耗。此外，因为快速开关转换的缘故，所以这个额外的电流尖峰还会带来共模EMI问题。在实际的CCM PFC电路中，这可是更难解决的一个问题。而由于交错式BCM PFC工作中没有体二极管传导，因此开关损耗要小得多，从而拥有提高效率，还有减少共模EMI的优点。
开关损耗的另一个来源是输出电容。对于低线电压条件，BCM PFC电路(如以FAN9612为基础的产品)因为控制器处于等待状态，直到关断后谐振电压波形的最小点出现，故可实现零电压开关。这样一来，由于MOSFET的输出电容放电，故没有损耗。在CCMPFC应用中，MOSFET在瞬时输入电压下总是导通的，这意味着从没有任何零电压开关发生。
交错式BCM PFC电路的传导损耗比CCM PFC应用的更高。不过，初步的比较清楚地显示，由于CCM PFC应用的开关损耗更高(即使CCM电路中采用了高性能的二极管和MOSFET)，因此上述的缺点可以忽略。总言之，一般而论，交错式BCM PFC电路更有效。
相比采用CCM，采用交错式BCM也更易于处理EMI问题。EMI主要源于差模噪声，可采用一个输入滤波器来解决，而固有频率变化和低纹波电流使这个任务更容易完成。在CCM系统中，输出二极管的振铃现像会产生共模噪声，只要利用昂贵的碳化硅二极管便可以降低这种噪声。
同步与软式启动
把两个交错式升压级同步是一大难题，不过这已在FAN9612上成功解决了。虽然稳态条件下的同步比较简单，但在启动和负载变化条件下的各种同步动态，使交错式BCM PFC成为集成电路系统设计人员的一个艰巨挑战。
在轻载条件下，如果两相都维持导通，效率将会很低。因此，在轻载下最重要的一点是要关断一个负载，并在负载增加时，再使其重新导通。而该电路在单个开关周期内对这些变化作出反应。
图3所示为相位迭加和切相示意图，图中显示每个MOSFET的栅极和流经每个MOSFET的电流，相位迭加和切相都无任何瞬时工作。
FAN9612采用的不是开放回路式，而是封闭回路的软式启动，从而避免了这类应用中常见的输出电压过冲现象。由于PFC电路中存在一个大输出电容，必须在对它进行充电之余，同时使控制环路不会饱和，因此软式启动是PFC电路的一个问题。
总而言之，FAN9612解决了交错式PFC设计中存在的两大难题。
在节能倡议的推动下，对功率因子校正(Power Factor Correction，PFC)的需求不断成长。PFC利用降低峰值电流，把谐波电流减到最少，从而减少配电网的能耗。照明、电源和动作控制(motion control)领域的最新节能法例草案的推出，将进一步增加市场对PFC的需求。例如，相比简单TRIAC控制驱动的感应电机，逆变器驱动的永磁同步电机拥有更高的效率、但功率因子却较差；但只要额外增加一个PFC级就可以提高功率因子，降低损耗，减少配电网中谐波电流引发的问题。所以，PFC级必须具有很高的效率，这样才不会削弱采用新型电机所带来的好处。
模拟控制电路整合度的提高，催生出可进一步提高效率的最新PFC技术。对于300W至1000W以上的输入功率级，交错式临界传导模式(boundary conduction mode，BCM)PFC方案是非交错式连续传导模式(continuous conduction mode，CCM)PFC方法的良好替代方案。本文将概述交错式BCM PFC的工作原理及优点。
运作原理
交错式的运作原理是一种十分成熟、广泛运用于功率电子产品的技术。大多数微处理器都由多相同步降压电源驱动。在交错技术中，有两个或更多的并联输出级，每一个的开关时间均不同。BCM PFC和CCM PFC都可以采用这种技术。大多数PFC方法采用了一个升压级，而两个交错式输出级共享同一个输出电容。如图1所示。
交错式运作的第一个特性是输入和输出级上的PFC纹波电流同时被降低。这两个级与一个特殊电路同步，确保彼此能180度异相开关。这个同步电路的性能也许是交错式BCM控制器最关键的部分。同步的困难性是该项技术未能及早应用的主要原因之一，这些内容稍后阐述。
在一个完全同步的交错式BCM PFC系统中，第一相的电流消耗量会部分抵消掉第二相的电流，如图2所示。整体输入电流和电容电流的纹波成分要低得多，频率是各级纹波频率的两倍。这些因素简化了用来减少输入纹波电流谐波成分，以满足EMI标准要求所需的EMI滤波器规格计算。如果采用相同的电容，流经输出电容的纹波电流将会减少，可以延长系统寿命；而若改变输出电容大小以配合更低的额定纹波电流，系统体积和成本便得以降低。
交错式运作的第二个特性是流经每一级的电流都会减半。如果交错式方案中采用的MOSFET的RDS(ON)正好是非交错式中的两倍，或者说，如果这些开关所用的硅面积相同，这对传导损耗没有任何影响。不过在这种情况下，开关损耗可能会降低。较小的MOSFET的栅极电荷只有一半，并只在非交错式方案的一半电流时进行开关，这样一来，每个器件的开关损耗只有四分之一，或总体开关损耗减半。这里需要考虑诸如更高的开关dv/dt等效应。
由于交错式控制器采用比标准BCM控制器更先进的技术，故有可能进一步提高开关效率。快捷半导体公司的FAN9612交错式BCM PFC控制器具有两项显著优点，能够提高升压电路的效率。其一是毋须额外的RC延时电路就可以准确执行零电压开关点的检测。标准BCM控制器在升压电感线圈过零时导通，而FAN9612则在零电流点进行开关。第二个优点是采用两个单独的感测电阻来检测每个MOSFET的实际过流情况，这不仅增强了系统可靠性，还降低了总体电阻损耗。
纹波电流的减少、纹波电流频率的增加，以及效率的提高，使交错式运作功率范围扩大了两倍以上。比如标准BCM PFC的最大应用功率为300W，而交错式BCM PFC则可达800W或以上。
交错式BCM PFC与标准CCM PFC的比较
在BCM PFC级中运用交错方式，能把工作功率扩大到了原来非交错式CCM PFC级的覆盖范围。这时，传统的非交错式BCM与CCM比较已不再适用，故比较这两种方案自身优点是十分重要的。
讨论的第一点是电感尺寸。以拥有宽输入范围(85Vac-265Vac)的400W电源设计为例，利用FAN9612的应用手册上的计算结果，可得到220uH电感量以及7A峰值电流。而利用CCM控制器，在相同条件下得到的电感量为790uH，峰值电流为8A。值得注意的还有对于非交错式BCM控制器，在相同功率级下，电感的规格为110uH和14A，这进一步说明了在同一功率级下，非交错式BCM性能较差的原因。
对于小巧型设计，400W的交错式BCM PFC电源可采用两个基于PQ3220磁芯的电感。而CCM PFC采用的磁芯尺寸估计在PQ4040左右。
第二个考虑事项是升压二极管的反向恢复损耗。在连续传导模式中，当有电流流经时，升压二极管便会进行开关。由于在导通期间这个电流流经了升压MOSFET，故导致额外的开关损耗。此外，因为快速开关转换的缘故，所以这个额外的电流尖峰还会带来共模EMI问题。在实际的CCM PFC电路中，这可是更难解决的一个问题。而由于交错式BCM PFC工作中没有体二极管传导，因此开关损耗要小得多，从而拥有提高效率，还有减少共模EMI的优点。
开关损耗的另一个来源是输出电容。对于低线电压条件，BCM PFC电路(如以FAN9612为基础的产品)因为控制器处于等待状态，直到关断后谐振电压波形的最小点出现，故可实现零电压开关。这样一来，由于MOSFET的输出电容放电，故没有损耗。在CCMPFC应用中，MOSFET在瞬时输入电压下总是导通的，这意味着从没有任何零电压开关发生。
交错式BCM PFC电路的传导损耗比CCM PFC应用的更高。不过，初步的比较清楚地显示，由于CCM PFC应用的开关损耗更高(即使CCM电路中采用了高性能的二极管和MOSFET)，因此上述的缺点可以忽略。总言之，一般而论，交错式BCM PFC电路更有效。
相比采用CCM，采用交错式BCM也更易于处理EMI问题。EMI主要源于差模噪声，可采用一个输入滤波器来解决，而固有频率变化和低纹波电流使这个任务更容易完成。在CCM系统中，输出二极管的振铃现像会产生共模噪声，只要利用昂贵的碳化硅二极管便可以降低这种噪声。
同步与软式启动
把两个交错式升压级同步是一大难题，不过这已在FAN9612上成功解决了。虽然稳态条件下的同步比较简单，但在启动和负载变化条件下的各种同步动态，使交错式BCM PFC成为集成电路系统设计人员的一个艰巨挑战。
在轻载条件下，如果两相都维持导通，效率将会很低。因此，在轻载下最重要的一点是要关断一个负载，并在负载增加时，再使其重新导通。而该电路在单个开关周期内对这些变化作出反应。
图3所示为相位迭加和切相示意图，图中显示每个MOSFET的栅极和流经每个MOSFET的电流，相位迭加和切相都无任何瞬时工作。
FAN9612采用的不是开放回路式，而是封闭回路的软式启动，从而避免了这类应用中常见的输出电压过冲现象。由于PFC电路中存在一个大输出电容，必须在对它进行充电之余，同时使控制环路不会饱和，因此软式启动是PFC电路的一个问题。
总而言之，FAN9612解决了交错式PFC设计中存在的两大难题。