设计高效的交叉功率因数校正方案
功率因数校正(PFC)是缓解电能质量问题的关键，因为更多的无功源将连接到电网中。在现有的PFC方法中，interleaved PFC方法使工程师能够使用更低成本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MCUs或专业集成电路的交叉PFC解决方案集成了这些控制机制，为设计人员提供了一种简化的方法来实现最终产品的高效PFC功能。
功率因数是实际功率与表观功率的比值，表示运行设备的相对功率。设备的无功负荷功率因数远低于1。事实上，在没有校正的情况下，一种典型的开关模式电源的功率因数大约为0.6，具有相当大的奇次谐波失真。当功率因数降至1以下时，电压和电流都处于非相位状态，功率在基本频率外扩散到谐波，而这些谐波会沿中性线传播，干扰其他电力消费者。
除了需要公用设施来产生更多的电力来补偿这些低效率之外，谐波还会造成电容和电缆的额外损耗和电介质应力。随着高噪音的排放，电机和变压器绕组电流的增加导致保险丝和其他安全元件的早期失效。通过调整电压和电流波形，使其处于相位，PFC减少了符合IEC 61000-3-2的谐波，这定义了电力设备发出的谐波的限制。
PFC方法
虽然设计人员可以使用无源组件实现PFC，但有源功率校正允许使用较小的电感器，并在处理到达国际市场的产品的不同线路电压时提供更大的灵活性。有源PFC采用输入整流器与输出存储电容之间的开关模转换器(图1)。在这种方法中，PFC控制电路形成输入电流来匹配输入电压波形。
功率因数校正图(PFC)电路形状输入电流。
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)电路形状输入电流匹配输入电压。(由凯利讯半导体)
boost转换器通常是实现PFC的首选转换器拓扑，因为该拓扑使用连续输入流。这种输入电流可以用平均电流模式控制技术来控制，以迫使输入电流跟踪线路电压的变化。此外，boost-converter拓扑提供了减少的当前纹波和一个更简单的gd驱动实现。
一个典型的单相boost PFC转换器是一个相对简单的设计，它结合了桥式整流器、电感、二极管、开关和输出电容(图2)。实际上，输入电桥和其他元件，如EMI滤波器，通常已经存在于大多数功率转换器中。与此同时，这些组件的选择对于确保高效运行至关重要。
飞思卡尔单相升压PFC变频器示意图。
图2:对于PFC来说，最喜欢的是boost-converter拓扑结构，简化了输入电流的操作以跟踪输入电压的变化。（凯利讯半导体)
最近设备简化组件的选择和匹配通过整合大部分或所有的元素的一个简单的单级PFC变换器在单个设备——要求很少的额外组件实现曼宁事实上,电力集成HiperPFS家人如电力集成PFS7523整合不仅continuous-conduction模式(CCM)提高PFC控制器和栅极驱动电源组件包括一个超低反向恢复二极管和高压功率MOSFET。HiperPFS设备消除了外部电流感觉电阻和相关电源损耗的需要，使用一种专有的控制技术来调整开关频率，而不是输出负载，输入线路电压，甚至是输入线周期。
交叉PFC设计
传统的单级PFC控制器设计依赖于一个合适的大型电感器，需要大量的滤波来降低高频纹波。另一种拓扑取代单一PFC提高变换器两个交叉转换器操作180°的阶段。
这种交叉方法大大降低了输入电流和电流到PFC预调节器的输出电容的高频脉动分量。与同等功率的单相PFC阶段相比，输入电流的减小波纹意味着设计者可以使用更小的输入电容和减少EMI滤波。此外，将高频波纹电流降低到PFC输出电容中，意味着设计师可以降低其尺寸和成本。最后，在每个阶段减少纹波和低平均电流的组合允许使用较小的感应器尺寸，而不是传统的单相设计。
设计人员可以使用高度集成的数字信号控制器(DSC)实现交叉的PFC设计，如微芯片技术DSPIC33FJ06GS202或飞思卡尔半导体MC56F8006。这些DSCs将高性能处理器核心与芯片外围设备相结合，包括模拟-数字转换器(ADC)、脉冲宽度调制器(PWM)和模拟比较器。在这种方法中,DSC使用其芯片上的adc监控纠正输入电压和电流,输出电压,和每个阶段的MOSFET电流(图3)。反过来,设备使用其集成pwm控制开关在每个转换器同时继续监控两个转换器开关电流以保证平等分享两个阶段之间的负载。
微芯片技术数字信号控制器示意图。
图3:数字信号控制器结合模拟外设，用于监测输入电压VAC和电流IAC和输出直流电压VDC，并在测量开关电流(IM1, IM2)时驱动每个控制器阶段，以保证负载共享。(由凯利讯半导体)
这种并联变换器的主要缺点是两个转换器的频率不相同，需要方法来保证它们的精确同步。在过去，这个需求增加了实现适当的监视和控制所需的额外电路的复杂性。使用集成的DSCs消除了需要额外的控制设备。然而,设计师还剩下的任务实现复杂的控制算法需要确保并行转换器操作精确180°阶段(图4)。
微晶片技术交错的PFC图。
图4:交叉PFC依赖于详细的测量和控制算法，以保证并行控制器的精确同步。(由微芯片技术)
集成解决方案
专业的ICs提供了一种更简单的交叉PFC设计方法，将完整的控制逻辑与所需的外围功能集成在一起。使用这些高度集成的设备，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)。
德州仪器UCC28070专业集成电路。
图5:特殊的ICs，如德州仪器UCC28070集成了需要的综合功能，使PFC与最小的添加组件相结合。(由凯利讯半导体)
例如,德州仪器UCC28070设计运营阶段的两个平行控制器180°CCM PFC设计。该装置的两个独立电流放大器保证了在PWM输出中匹配的平均电流模式控制，同时保持稳定的、低失真的正弦输入电流。虽然交叉的PFC通常只包含一对并行转换器，但设计者可以将多个ucc28070组合起来，为高功率应用程序提供更多的额外阶段，并实现更高级别的输入和输出-波动电流取消。
BCM的解决方案
虽然CCM PFC提供了较低的峰值-平均电流比，但在转换输出二极管的影响下，它却处于不利的地位。在CCM中，当MOSFET打开时，正向电流通常会流经二极管。这些高压二极管通常是由于少数载流子重新组合而导致的反向恢复，这增加了损耗和铃声，最终导致了高频电磁干扰的产生。
相比之下，在临界传导模式下(有时称为边界传导模式[BCM]或过渡模式)，在MOSFET的下一个开关周期开始之前，电感电流可以完全达到零。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，输入和输出滤波器可以更小，因为电流的取消和开关频率的有效加倍。
设备如飞兆半导体公司FAN9611MX和德州仪器UCC28063集成PFC控制器集成电路设计实施交叉BCM曼宁这些专用设备的一个关键特性是芯片上zero-detect BCM所需电路操作:BCM设计在变频运行,启动开关时间每当电感中的电流达到零。
通常，零电流检测器监测电感电流，当电感电流达到零时，利用电感器上的辅助绕组的电压间接感应电流。虽然最简单的方法检测零交叉使用比较器阈值测量波形,电感电流实际上是在其最大负值时通过电感的电压为零(图6)。如果这个时候场效应晶体管导通,所有的能量存储在寄生电容会转至地面,造成功率损耗。Fairchild FAN9611MX的内部感知电路包括一个可以感知到感应电压的斜率变化的微分器，允许它捕捉到感应波形的谷并提供更高效的操作。
Fairchild半导体FAN9611MX BCM PFC IC的图形。
图6:先进的交叉BCM PFC技术，如Fairchild半导体FAN9611MX，通过感应电压的斜率变化而不是简单的零交叉，从而获得更高的效率。（凯利讯半导体公司)
总结
功率因数校正是保证电能质量的关键，也是提高发电、输电和配电效率的关键。Interleaved PFC提供了一种高效的解决方案，减少了波动，并允许使用更小、更低成本的组件。另一方面，交叉PFC设计的实现需要更复杂的控制机制，这限制了它的广泛采用。专业集成电路集成了控制交错PFC转换器所需的全部逻辑电路和电路，使工程师能够更容易和有效地实现先进的PFC设计。