利用宽带隙半导体和数字控制设计更有效的功率因数校正电路

为了最大限度地提高交流市电供电设备（包括 AC/DC 电源、电池充电器、基于电池的储能系统、电机驱动器和不间断电源）的效率，功率因数校正 (PFC) 必不可少。其重要性在于，一些法规规定了特定类型电子设备的最低功率因数 (PF) 水平。

设计人员面对在不断缩小的外形尺寸内提高整体性能的持续压力，为了符合这些法规，他们正在转向利用数字控制技术和宽带隙半导体（如碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN)）进行有源 PFC 设计。

本文回顾了 PF 的概念和定义，包括 IEEE 和 IEC 及相关标准之间的不同定义。然后介绍来自 STMicroelectronics、Transphorm、Microchip Technology 和 Infineon Technologies 等供应商的 PFC 解决方案，设计人员可使用这些解决方案实现采用宽带隙半导体和数字控制的 PFC，包括使用评估板。

什么是功率因数校正，为什么需要它？

PF 是反映系统中无功功率水平的指标。无功功率不是真正的功率，而是代表彼此异相的电压和电流影响（图 1）。由于它们是异相的，因此不能为工作做出有效的贡献，但仍然表现为交流市电供电线的负载。系统中无功功率的大小是衡量能量传输效率低下程度的一个指标。有源 PFC 利用电力电子技术改变负载所消耗的电流波形的相和/或形状，以提高 PF。PFC 的使用提高了整体系统效率。


图 1：PF 定义为 θ 的余弦，代表负载吸收的实际功率与电路中流动的视在功率之比。两者之间的差异源自于无功功率。随着无功功率接近于零，负载表现出更纯粹的电阻性，视在功率和实际功率变得相等，PF 变为 1.0。（图片来源：维基百科）

线性或非线性负载中都可能出现不良 PF。非线性负载会使电压波形或电流波形失真，或两者都失真。当涉及非线性负载时，称为失真 PF。

线性负载不会使输入波形的形状失真，但可能会因其电感和/或电容而改变电压和电流之间的相对时序（相位）（图 2）。若电路主要包含电阻负载（例如，白炽灯和加热元件），则具有接近 1.0 的 PF，但若包含感性或容性负载（例如，开关模式电源转换器、电动机、电磁阀、变压器和灯镇流器），则具有远低于 1.0 的 PF。


图 2：根据交流电压和电流以及 0.71 的滞后 PF（即电流滞后于电压）计算出的线性负载的瞬时和平均功率。（图片来源：CUI, Inc.）

大多数电子负载不是线性的。非线性负载的实例包括开关模式电源转换器和电弧放电装置，如荧光灯、电焊机或电弧炉。由于这些系统中的电流因开关动作而中断，所以电流中含有的频率分量是电源系统频率的倍数。失真 PF 是衡量负载电流的谐波失真对传输到负载的平均功率的降低程度指标。


图 3：正弦电压（黄色）和非正弦电流（蓝色）为该计算机电源（属于非线性负载）带来了 0.75 的失真 PF。（图片来源：维基百科）

滞后与超前 PF 的区别

滞后 PF 表示电流滞后于电压，超前 PF 表示电流领先于电压。对于感性负载（例如感应电机、线圈和某些灯），电流滞后于电压，从而产生滞后 PF。对于容性负载（例如同步调相机、电容器组和电子电源转换器），电流领先于电压，从而导致超前 PF。

滞后或超前的区别不等于正值或负值。PF 值前面的正负号是由所用的标准（IEC 或 IEEE）决定。

PF 以及 IEEE 与 IEC 比较

图 4 中的图表显示了 IEEE 和 IEC 标准下千瓦 (kW) 功率、伏安无功 (var) 功率、功率因数和感性或容性负载之间的相关性。每个组织使用不同的度量标准对 PF 进行分类。


图 4：根据 IEC 的规定（左图），功率因数符号仅取决于实际功率流的方向，与负载是感性还是容性无关。根据 IEEE 的规定（右图），功率因数符号仅取决于负载的性质（即容性还是感性）。在这种情况下，它与实际功率流的方向无关。（图片来源：Schneider Electric）

根据 IEC 的规定（图 4 中的左图），PF 符号仅取决于实际功率流的方向，与负载是感性还是容性无关。根据 IEEE 的规定（图 4 中的右图），PF 符号仅取决于负载的性质（即容性还是感性）。在这种情况下，它与实际功率流的方向无关。对于感性负载，PF 为负。对于容性负载，PF 为正。

PF 标准

欧盟等监管机构已设定了谐波限值，以提高 PF。为了符合现行欧盟标准 EN61000-3-2（基于 IEC 61000-3-2），输出功率大于 75 W 的所有开关模式电源必须包括 PFC。EnergyStar 的 80 PLUS 电源认证要求额定输出功率 100% 时的 PF 为 0.9 或更高，并且要求采用有源 PFC。在撰写本文时，IEC 标准的最新版本是：IEC 61000-3-2:2018，“电磁兼容性 (EMC) - 第 3-2 部分：限制 - 谐波电流发射限制（设备每相输入电流 ≤ 16 A）”。

未经校正的开关模式电源转换器不符合当前的 PFC 标准。一个 PF 影响因素是使用的交流输入类型：单相还是三相。未经校正的单相开关电源通常具有约 0.65 至 0.75 的 PF（使用上述 IEEE 的 PF 符号约定）。这是因为大多数电源使用整流器/电容器前端来产生直流总线电压。这种配置仅在每个线路周期的峰值处汲取电流，从而产生狭窄的高电流脉冲，导致较差的 PF（参见上面的图 3）。

未经校正的三相开关模式电源转换器具有更高的 PF，通常接近 0.85（同样使用 IEEE 的 PF 符号约定）。这是因为，即使利用整流器/电容来产生直流总线电压，也有三相可以额外提高总体 PF。但是，无论是单相还是三相开关模式电源转换器，如果不使用有源 PF 校正电路，都无法满足现行 PF 法规要求。

利用 WBG 半导体和数字控制元件设计有源 PFC

利用数字控制技术和宽带隙功率半导体（包括 GaN 和 SiC），设计人员有了新的有源 PFC 电路每相。与基于模拟控制的有源 PFC 设计或无源 PFC 设计相比，这些电路可以提供更高的效率和功率密度。

设计人员可以用先进的数字控制技术来取代模拟控制器，或者用额外的数字控制元件（包括微控制器）来补充模拟控制，以实现最大的 PFC 性能。在某些情况下，WBG 半导体也可用于提高 PFC 性能。

元器件成本的下降加速了两种不同 PFC 方法的实现：交错设计和无桥设计。每种方法具有不同的优势：

· 交错式 PFC 的优势：
        效率更高
        改善热分布
        减小了通过 PFC 级的 RMS 电流
        模块化
· 无桥 PFC 的优势：
        效率更高
        输入整流损耗减半
        改善热分布
        更高的功率密度

三通道交错式 PFC 控制器组合利用了模拟与数字控制技术

STMicroelectronics 的 STNRGPF01 控制器是一款可配置 ASIC，组合利用了数字和模拟控制技术，一个交错式 PFC 最多可驱动的三个通道（图 5）。该器件工作在固定频率的连续导通模式 (CCM) 下，采用平均电流模式控制，并实现了混合信号（模拟/数字）控制。模拟内部电流回路由硬件执行，确保逐周期调节。外部电压回路由数字式比例积分 (PI) 控制器执行，具有快速动态响应。


图 5：STNRGPF01 的功能框图显示了三相交错式 PFC 应用中的内部模拟控制部分（红色）和外部数字控制部分（绿色）。（图片来源：STMicroelectronics）

STNRGPF01 实现了灵活的切相策略，可以根据实际负载情况正确地设置 PFC 通道数。利用此功能，STNRGPF01 始终能够在各种负载电流要求下保证最高的电源效率。

该控制器实现了几个功能：涌流控制、软启动、猝发模式冷却管理和状态指示。另外还具有全套嵌入式过压、过流和热故障保护功能。

为了帮助设计人员入门，STMicroelectronics 还提供了基于 STNRGPF01 的 STEVAL-IPFC01V1 3 kW PFC 电源管理评估板（图 6）。特性和规格包括：

· 输入电压范围：90 至 265 VAC
· 线路频率范围：47 至 63 Hz
· 最大输出功率：230 V 时 3 kW
· 输出电压：400 V
· PF：20% 负载下 >0.98
· 总谐波失真：20% 负载下 <5%
· 混合信号控制
· 开关频率：111 kHz
· 逐周期调节（模拟电流控制回路）
· 输入电压和负载前馈
· 切相
· 猝发模式操作


图 6：STEVAL-IPFC01V1 框图显示：1.I/O 测量信号；2.模拟电路；3.功率级；4.采用 STNRGPF01 数字控制器的数字控制部分；在三相交错式 PFC 中。（图片来源：STMicroelectronics）

除 STNRGPF01 混合信号控制器外，该评估板还包括 STW40N60M2 N 沟道 600 V 34 A 低 Qg 硅功率 MOSFET 和 PM8834TR 栅极驱动器 IC。

采用 GaN FET 的无桥图腾柱 PFC

无桥 PFC 拓扑的开发目的是为了消除与使用二极管桥式整流相关的压降和低效率。由于 GaN 和 SiC 等 WBG 功率半导体的出现，无桥图腾柱 PFC 得以实现（图 7）。在传统的图腾柱设计 (a) 中，两个 GaN FET 和两个二极管用于线路整流。在无桥图腾柱改型 (b) 中，二极管被两个低电阻硅 MOSFET 取代，以消除二极管的电流-电压 (IV) 降，从而提高效率。


图 7：在传统图腾柱设计 (a) 中，两个 GaN FET 和两个二极管用于线路整流；在改进的电路 (b) 中，二极管被两个低电阻硅 MOSFET 取代，以消除二极管的电流-电压降，从而提高无桥图腾柱的效率。（图片来源：Transphorm）

与硅 MOSFET 相比，GaN 高电子迁移率晶体管 (HEMT) 的反向恢复电荷 (Qrr) 要小得多，这使无桥图腾柱设计非常实用（图 8）。在这个采用 CCM 模式的图腾柱 PFC 的简化示意图中，重点是使传导损耗最小化。


图 8：采用 CCM 模式的图腾柱 PFC 简化示意图包括两个以高脉冲宽度调制频率工作的快速开关 GaN HEMT（Q1 和 Q2）（用作升压转换器），以及两个以慢得多的线路频率 (50Hz/60Hz) 工作较低电阻 MOSFET（S1 和 S2）。（图片来源：Transphorm）

电路包括两个快速开关 GaN HEMT（Q1 和 Q2）和两个较低电阻 MOSFET（S1 和 S2）。Q1 和 Q2 在高脉冲宽度调制 (PWM) 频率下工作，用作升压转换器。S1 和 S2 在慢得多的线路频率 (50 Hz/60 Hz) 下工作，用作同步整流器。初级电流路径仅包括一个快速开关和一个慢速开关，没有二极管压降。S1 和 S2 的作用是同步整流器，如 8(b) 和 8(c) 所示。在正交流周期期间，S1 导通，S2 关断，使连接到负端的交流零线连接到直流输出。负周期情况则相反。

为了实现 CCM 操作模式，从晶体管的体二极管必须充当反激二极管，以使电感电流在空载时间内流动。但是，一旦主开关导通，二极管电流必须迅速降至零并转换至反向阻断状态。这就是图腾柱 PFC 的关键过程，其中由于高压硅 MOSFET 体二极管具有高 Qrr，因而会导致异常尖峰、不稳定和相关的高开关损耗。GaN 开关的低 Qrr 允许设计人员克服这一障碍。

设计人员可以使用 Transphorm 的 TDTTP4000W066C 4 kW 无桥图腾柱 PFC 评估板，来研究电路的运行情况。该评估板使用 Microchip Technology 的 MA330048 dsPIC33CK256MP506 数字电源插件模块 (PIM) 作为控制器。Transphorm 的第四代 (SuperGaN) TP65H035G4WS GaN FET 实现了较高效率的单相转换。在电路的快速开关分支电路中采用 Transphorm 的 GaN FET，在慢速开关分支点路中采用低电阻 MOSFET 将使性能和效率同时获得提升。

双向图腾柱 PFC 组合利用了硅 FET 和 SiC FET

对于电网交互式电池电动汽车和电池储能系统的设计人员，Infineon 提供了 EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 评估板，这是一款具有双向功率能力的 3300 W 图腾柱 PF 校正器（图 9）。该无桥图腾柱 PFC 板实现了 72 瓦/立方英寸的高功率密度。EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 板上实现的图腾柱在整流器 (PFC) 和逆变器模式下均工作于 CCM 模式，并使用 Infineon 的 XMC1000 系列微控制器实现全数字控制。


图 9：EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 3300 W 图腾柱 PFC 评估板框图显示了让板实现指定 72 瓦/立方英寸功率密度的拓扑结构。（图片来源：Infineon Technologies）

这个图腾柱 PFC 结合利用 Infineon 的 IMZA65R048M1 64 毫欧 (mΩ)，650 V，CoolSiC SiC MOSFET 及其 IPW60R017C7 17 mΩ、600 V、CoolMOS C7 硅功率 MOSFET。该转换器专门以 CCM 模式工作在高压线路（最低 176 Vrms，标称 230 Vrms）上，开关频率为 65 kHz，半载时效率最高可达 99%。这款 3300 W 双向（PFC/AC-DC 和逆变器/AC-DC）图腾柱解决方案中使用的其他 Infineon 器件包括：

· 2EDF7275FXUMA1 隔离式栅极驱动器
· ICE5QSAGXUMA1 QR 反激控制器，带 IPU95R3K7P7 950 V CoolMOS P7 MOSFET，用于偏置辅助电源
· XMC1404 微控制器，用于实现 PFC 控制

总结

低 PF 会给公用电网和电源转换器带来效率低下的问题，因此 PFC 对于各种交流市电设备来说必不可少，并且法规规定了特定类型电子设备的最低 PF 水平。为了在满足更小外形尺寸和更高性能要求的同时符合这些法规要求，设计人员需要一个能替代简单、低成本无源 PFC 技术的方案。

如本文所述，设计人员可以使用数字控制技术及 SiC 和 GaN 等 WBG 半导体实现有源 PFC 设计，从而让设计实现更高的 PF 和更紧凑的外形。

来源：Digi-Key
作者：Jeff Shepard