電網(wǎng)以交流電的形式提供電能，但我們使用的大多數(shù)設(shè)備都需要直流電，這意味著進行這種轉(zhuǎn)換的交流/直流電源是電網(wǎng)上最常見的負載之一。隨著世界關(guān)注能源效率以保護環(huán)境和管理運營成本，這些電源的高效運行變得越來越重要。

效率作為輸入功率與提供給負載的功率之間的比率的度量是眾所周知的。然而，輸入功率因數(shù) （PF） 也有很大的影響。PF 描述了任何交流供電設(shè)備（包括電源）消耗的有用（真實）功率與總（表觀）功率（以千伏安為單位）之間的比率。PF 衡量消耗的電能轉(zhuǎn)換為有用功輸出的效率。

如果負載是純電阻性的，則 PF 將為單位，但負載內(nèi)的任何無功元件都會降低 PF，使視在功率大于有用功率，從而導(dǎo)致效率降低。

小于 1 的 PF 是由電壓和電流異相引起的——這在感性負載中很常見。這也可能是由于高諧波含量或失真的電流波形，這在開關(guān)模式電源 （SMPS） 或其他類型的不連續(xù)電子負載中很常見。

修正 PF

許多沒有功率因數(shù)校正 （PFC） 的 SMPS 比校正后的 SMPS 消耗更高的電流，因此在 70 W 以上的功率水平下，立法要求設(shè)計人員整合電路以將 PF 校正到接近于 1 的值。有源 PFC 最常見的技術(shù)使用升壓轉(zhuǎn)換器將整流后的電源轉(zhuǎn)換為高直流電平，然后使用脈寬調(diào)制 （PWM） 來調(diào)節(jié)直流電平。

雖然這項技術(shù)運作良好且易于實施，但也存在一些挑戰(zhàn)?，F(xiàn)代效率標準（例如嚴格的“80+ 鈦標準”）要求在寬功率范圍內(nèi)具有高效率，并且在 50% 負載時峰值效率高達 96%。由于 PFC 級之后的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器通常表現(xiàn)出 2% 的損耗，因此線路整流和 PFC 級本身只能損耗 2%——這對于橋式整流器中的二極管來說是一個挑戰(zhàn)。

然而，如果用同步整流器代替升壓二極管（D5），則效率會提高。此外，只需要雙線整流二極管，這些二極管也可以是同步整流器（Q3、Q4），這進一步提高了效率。這種技術(shù)被稱為圖騰極功率因數(shù)校正（TPPFC），有了理想的電感和完美的開關(guān)，效率可以接近100%?，F(xiàn)代MOSFET具有優(yōu)異的性能，但即使并聯(lián)使用，也達不到理想開關(guān)的水平。因此，寬帶隙半導(dǎo)體開關(guān)將與TPPFC拓撲結(jié)構(gòu)齊頭并進。

圖1：傳統(tǒng)（左）和（右）無橋TPPFC電路

解決損失

隨著開關(guān)頻率越來越高的趨勢，開關(guān)器件中的動態(tài)損耗會產(chǎn)生更大的影響。這些損耗是由于當MOSFET配置為圖騰極快速支路的開關(guān)時，當其體二極管在開關(guān)“死”時間內(nèi)導(dǎo)通且相關(guān)存儲電荷必須耗盡時，以及開關(guān)輸出電容的充放電時，MOSFET反向恢復(fù)。

事實上，硅MOSFET的動態(tài)損耗可能非常大，因此設(shè)計師越來越多地在TPPFC應(yīng)用中指定WBG半導(dǎo)體材料，如碳化硅和氮化鎵器件。它們還具有更高頻率的操作和在高溫下工作的能力，這是電力應(yīng)用中兩個非常有用的特性。

臨界傳導(dǎo)模式 （CrM） 通常是 TPPFC 的首選傳導(dǎo)模式，尤其是高達幾百瓦的功率，在效率和電磁干擾性能之間提供了良好的折衷。連續(xù)導(dǎo)通模式 （CCM） 進一步降低了開關(guān)中的 RMS 電流和導(dǎo)通損耗，使 TPPFC 可用于千瓦級功率應(yīng)用。

即使使用 CrM，在輕負載時效率也會顯著下降（高達 10%），這在嘗試滿足待機或空載能耗限制時提出了真正的挑戰(zhàn)。一種解決方案是鉗制或“折回”最大允許頻率，從而在輕負載時強制電路進入不連續(xù)導(dǎo)通模式 （DCM），其中較高的峰值電流低于等效 CrM 實現(xiàn)中的峰值電流。

將 TPPFC 與 CrM 操作和頻率鉗位相結(jié)合可提供良好的中等功率解決方案，該解決方案可在整個負載范圍內(nèi)提供良好的效率，尤其是當 WBG 開關(guān)用于高頻支路時。

其他挑戰(zhàn)

解決了效率挑戰(zhàn)后，還有最后一個障礙需要克服：要同步驅(qū)動四個有源器件，并且必須檢測電感器的零電流交叉以強制 CrM。該電路必須能夠在需要時自動切換進出 DCM——所有這一切都是在保持高功率因數(shù)并生成 PWM 信號以調(diào)節(jié)輸出的同時完成的。除此之外，還需要電路保護（如過流和過壓）。

一般來說，考慮到所涉及的復(fù)雜性，最好的方法是在微控制器中實現(xiàn)控制算法。然而，這種方法可能很昂貴，并且需要生成和調(diào)試代碼，這是許多設(shè)計人員希望避免的領(lǐng)域。

使用 CrM 的 TPPFC 無代碼解決方案

完全集成的 TPPFC 控制解決方案具有許多優(yōu)勢，包括高性能、縮短設(shè)計時間和降低設(shè)計風(fēng)險，同時無需實現(xiàn)微控制器和相關(guān)代碼。

此類集成解決方案之一是 onsemi 的 NCP1680 混合信號 TPPFC 控制器，它以恒定的導(dǎo)通時間 CrM 運行，以確保整個負載范圍內(nèi)的高效率。NCP1680 在輕負載頻率折返期間具有“谷底開關(guān)”功能，可通過在最低電壓下開關(guān)來提高效率。數(shù)字電壓控制環(huán)路經(jīng)過內(nèi)部補償，以優(yōu)化整個負載范圍內(nèi)的性能，同時確保設(shè)計過程保持簡單。

NCP1680 為無代碼 TPPFC 提供了一個簡單而優(yōu)雅的解決方案。

創(chuàng)新的控制器采用小型 SOIC-16 封裝，采用專有的低損耗電流檢測方法，逐周期限流提供出色的保護水平，無需外部霍爾效應(yīng)傳感器，從而降低復(fù)雜性、尺寸和成本。

所有必要的控制算法都嵌入在 IC 中，為設(shè)計人員提供了一個低風(fēng)險、久經(jīng)考驗的解決方案，以具有成本效益的價格提供高性能。

審核編輯：郭婷