车讯:K2跨界/新福瑞迪等 起亚2017年新车计划

效率和尺寸是电源设计的两个主要考虑因素，而功率因数校正 (PFC)也在变得越来越重要。为了减少无功功率引起的电力线谐波含量和损耗，尽可能降低电源运行时对交流电源基础设施的影响，需要使用 PFC。但要设计出小尺寸、高效率电源（包括 PFC）仍极具挑战性。本文介绍了如何通过修改传统 PFC 拓扑结构来更好地实现这一目标。

使用整流器和升压二极管的 PFC

电源的输入级通常使用桥式整流器后接单相 PFC 级，由四个整流器二极管和一个升压二极管组成。

图 1：桥式整流器后接单相 PFC 级

图腾柱无桥拓扑结构

还有一种提高电源效率的方法，就是使用图腾柱无桥拓扑结构来移除桥式整流器，并用快速开关 MOSFET 代替升压二极管。要理解如何做到这一点，最好先将这种拓扑结构视为两个独立的升压电路的功能组合，每个电路用于输入正弦波形的一个半周期。

电感、电容、MOSFET S1 和二极管 (S2) 在正半周期内用作正升压电路。此外，还包括一个旁路二极管，目的是防止电感在启动时或在异常工作条件下饱和；还有一个保护二极管 (SR1)，以防止在负半周期内工作。

图 2：正升压电路

在负半周期内，电感、电容、MOSFET S2 和二极管 (S1) 构成了标准升压电路的反相版本，并在导通状态路径中额外配备了一个保护二极管 SR2。

图 3：负升压电路

在图腾柱无桥 PFC 拓扑结构中，两个二极管（SR1 和 SR2）可以用 MOSFET 代替，以实现更高的效率。这是因为这些二极管在图腾柱工作期间导通，但切换频率只有 50/60 Hz。旁路二极管仅在启动时导通，因此使用 MOSFET 代替它们没有任何好处。

图 4：采用二极管的图腾柱无桥 PFC 电路

改进后的图腾柱

改进后的图腾柱无桥 PFC 拓扑结构将快速 SiC MOSFET和慢速超结 MOSFET 相结合。在正半周波期间，SR1 在整个周期内导通，并为异步升压电路提供接地路径。S1 充当升压开关，而 S2 在异步升压中执行二极管功能。同样，在负半周期内，SR2 提供接地路径，S2 作为升压开关，S1 则用作异步升压二极管。SR1 和 SR2 可以是低速超结 MOSFET（因为它们只需要在低频下开关）。为防止出现潜在的 EMI 问题，需要通过额外电容来避免过快发生过零转换。但是，如果电容值太大，总谐波失真 (THD) 性能将会变差。对于高功率密度，S1 和 S2 可以是 SiC 器件。

图 5：改进后具有 SiC 和超结 MOSFET 的图腾柱无桥 PFC 电路

实现高功率密度的高效电源

安森美 (onsemi) 通过带有EliteSiC 开关的高频 PFC 前端、先进的图腾柱无桥 PFC 控制器和运行频率高达 150 kHz 的高频 LLC 级，在输出级上使用高速同步整流设计出一个功率密度超过40 W/in3、满载效率为 98.4% 的单相交流输入 3 kW PFC 电源。该创新方案的操作和性能在白皮书中进行了详细说明。