在功率因數(shù)校正 (PFC) 預(yù)調(diào)節(jié)器中使用升壓跟隨器的好處

傳統(tǒng)上，PFC(功率因數(shù)校正)離線功率轉(zhuǎn)換器的設(shè)計帶有兩個功率級：第一個功率級通常情況下是一個升壓轉(zhuǎn)換器，因為此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中有連續(xù)的輸入電流，可使用乘法器以及平均電流模式控制進(jìn)行改變，以獲得近乎一致的功率因數(shù) (PF)。不過，升壓轉(zhuǎn)換器要求有比輸入更高的輸出電壓，同時要求一個額外的轉(zhuǎn)換器將電壓步降到可用水平(見圖 1)。

圖 1 兩功率級轉(zhuǎn)換器的功能結(jié)構(gòu)圖

傳統(tǒng)的升壓轉(zhuǎn)換器有一個固定的輸出電壓，比最大的峰值線電壓要高。盡管如此，我們也不必對它進(jìn)行調(diào)節(jié)，因為步降轉(zhuǎn)換器(2 功率級)可對變量進(jìn)行調(diào)節(jié)。只要壓升超過峰值輸入電壓，轉(zhuǎn)換器就會進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)。使用升壓跟隨器對線電壓的變化進(jìn)行跟蹤響應(yīng)有著許多好處，比如縮小的升壓電感器尺寸，以及在峰值線電壓較低時更低的開關(guān)損耗。

圖 2 升壓跟隨器和傳統(tǒng) PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器的輸出電壓如何對 Vin(t) 進(jìn)行跟蹤

升壓電感 (L)

對升壓電感的選擇是根據(jù)最低峰值線電壓為 (Vin(min) 、占空比 (D) 為最大時所允許的最大紋波電流 (ΔI) 而定的。以下方程用于計算每一類(傳統(tǒng)或跟隨器型)預(yù)調(diào)節(jié)器功率級中的電感。ΔI 為峰值輸入電流的 20%[5];Pout 為最大輸出功率;而 Vout (min) 則為最小升壓輸出電壓。這些方程表明，在輸入電壓范圍較大時，升壓跟隨器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的電感會小很多。

例如，若要在具有 85V～265V 寬泛輸入范圍的 250W 應(yīng)用中，跟蹤輸入電壓的輸出電壓范圍為 206V～390V 時，使用上述的方程對升壓跟隨器拓?fù)涞碾姼羞M(jìn)行計算，將需要 570 μH 的電感。同樣的條件下，對傳統(tǒng)的 390V 固定直流輸出拓?fù)涠?，則需要 1mH 的電感。

升壓開關(guān)損耗

以下方程計算了升壓 FET 中的功率損耗 (PQ1) [3][5]，并表明相對于傳統(tǒng) PFC 而言，當(dāng)線電壓較低時，寄生 FET 的電容損耗 (PCOSS) 以及 FET 的轉(zhuǎn)換損耗 (PFET_TR) 在升壓跟隨器 PFC 中會小很多。這是因為線電壓較低時輸出電壓 (Vout(min)) 在升壓跟隨器 PFC 中會小很多，從而減少了整體的開關(guān)損耗。

例如，一款 IRFP450 HEXFET(同樣的條件應(yīng)用于升壓電感)的功率損耗在升壓跟隨器中為 11.5W，而在傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)器中的功率損耗則為 19.5W，也就是說在線電壓較低時，升壓跟隨器的效率高出大約 3%。

圖 3 升壓跟隨器型 PFC 與傳統(tǒng) PFC 的實驗室結(jié)果比較

升壓 FET 散熱片尺寸的縮小

升壓 FET 散熱片尺寸的計算在輸入電壓最低時進(jìn)行，因為此時 FET 功率損耗最高。以下方程可用于計算傳統(tǒng)或跟隨器型要求的散熱片 (Rθsa) 的最小熱阻。其中，Tjmax 為最高的結(jié)溫，Tamb 為最高的環(huán)境溫度，Rθjc 為半導(dǎo)體接面至外殼的熱阻，而 Rθsc 則為散熱片到外殼的熱阻抗。

通過該方程我們可以看到，由于 FET 功率損耗 (P_semi) 減少并且熱阻抗上升，因此要求的散熱片尺寸縮小——這是升壓跟隨器相對傳統(tǒng)拓?fù)涞挠忠缓锰帯Ｍㄟ^升壓開關(guān)損耗部分已計算得出的功率損耗，我們可以選擇升壓跟隨器和傳統(tǒng) PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器的散熱片，以更明顯地看到升壓跟隨器的這一優(yōu)點。對傳統(tǒng)拓?fù)浠蚋S器型拓?fù)涞脑O(shè)計要求是 Tjmax 不能超過 FET 最大額定溫度的 75%，而 Tamb 則通過線性速度為 150 英尺/分的風(fēng)扇維持在 40°C。所使用的 IRFP450 在傳統(tǒng)拓?fù)渲幸蟮?AVVID 散熱片部件編號為 53002(體積大約為 4.125 立方英寸)，而在升壓跟隨器拓?fù)渲袆t要求為 AVVID 531202(大約 1.38 立方英寸)——體積縮小了大約 66%。

保持電容的選擇

不幸地是，如果不增加成本，那么您也就沒有辦法獲得更多的性能。在您得到好處的同時，在電路中也包含進(jìn)了另一些缺點，包括更慢的瞬態(tài)響應(yīng)以及更大的保持電容 (Cboost)，以下方程可估算出要求保持時間為 (tholdup) 的電容大小。Vholdup 是設(shè)計要求的保持電壓的大小。

對升壓跟隨器和傳統(tǒng)預(yù)調(diào)節(jié)器的最小要求保持電容進(jìn)行計算表明了在升壓跟隨器拓?fù)渲?，電容可以高到何種程度。在 250W 具有 16.7-ms 保持時間和 85-V 保持電壓的應(yīng)用中，傳統(tǒng)拓?fù)涞淖钚≥敵鲭妷?Vout (min) 為 390V,而升壓跟隨器拓?fù)鋭t為 206V。升壓跟隨器拓?fù)湟蟮谋３蛛娙荽蠹s為 330 μF，而傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器拓?fù)鋭t僅需要 150 μF。

結(jié)論

升壓跟隨器型 PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器相對傳統(tǒng) PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器而言，有更多的優(yōu)點，電源設(shè)計人員對這些優(yōu)點也頗感興趣。其優(yōu)點具體包括升壓跟隨器型 PFC 在線電壓較低時有更高的效率，更小的升壓開關(guān)散熱片，以及更小的升壓電感器，從而滿足了相似電源的要求。不幸地是，為了得到使用升壓跟隨器帶來的好處，設(shè)計人員將面臨更慢的瞬態(tài)響應(yīng)，以及更大的升壓保持電容。