為了節(jié)省能源，包括能源之星、拯救氣候，還有其他八十多項與運算電源相關的計劃，都要求脫機式交流對直流(AC-DC)電源轉換器具備功率因子校正(PFC)功能，期發(fā)揮更高的效率。本文將分理論與實務兩方面評估PFC拓撲架構，讓設計人員能根據(jù)系統(tǒng)需求選擇最適用的拓撲。

　　為了節(jié)省能源，某些公營事業(yè)公司及環(huán)保機構研擬出許多方案與獎勵計劃，期望能夠使脫機式交流對直流(AC-DC)電源轉換器發(fā)揮更高的效率。為減少電線傳輸?shù)暮膿p，這些公司和機構都要求脫機式轉換器具備功率因子校正(PFC)功能。這些方案包括能源之星(Energy Star)、拯救氣候(Climate Savers)，還有其他八十多項與運算電源相關的計劃。這些計劃在本質上相似，均都要求脫機式電源轉換器在負載從20%升高到100%時，發(fā)揮80%以上的效率，同時要求在滿負載時，其功率因子要達到0.9以上。

　　為了達到這些功率因子需求，設計人員須導入PFC預整流器(Pre-regulator)。目前已開發(fā)出兩項創(chuàng)新的PFC控制拓撲，可提升 PFC控制器的效率。第一種拓撲是半無橋式PFC，可減少一半的橋式整流器耗損;第二種拓撲是交錯式PFC，可減少高達50%的轉換器I2R耗損。這兩項技術均須使用兩個升壓功率級來提升效率，因此，設計人員經(jīng)常要對這兩種拓撲架構進行抉擇。為了厘清這個問題，以下將分理論與實務兩方面評估，讓電源供應設計人員能根據(jù)系統(tǒng)需求選擇最適用的拓撲。

　　半無橋式PFC效率/電感尺寸難兼得

　　圖1為半無橋式PFC預整流器的電路拓撲圖。此拓撲須搭配兩個升壓功率級(Boost1及Boost2)以實現(xiàn)PFC，升壓電感直接連接到轉換器的輸入。此一拓撲也須采用全波整流器(DA、DB、DC及DD)，使一般PFC升壓電容(CBOOST)在最初的通電時間可達到最高電量。然而，在升壓電容的電量達到最高，轉換器啟動運作之后，電源轉換器在每一次二極管網(wǎng)橋傳導期間，只會有一個整流器二極管(DA或DB)處于工作狀態(tài)，不像在全橋式拓撲中，一般會有兩個二極管同時進行傳導。這與以兩個橋式整流器二極管進行傳導的傳統(tǒng)PFC升壓相當不同。這項創(chuàng)新技術可免除一個整流器二極管所產(chǎn)生的傳導損耗而提升效率，進而提升整體系統(tǒng)的效率。

圖1　半無橋式PFC預整流器與其電路拓撲

　　半無橋式PFC雖可提升系統(tǒng)的運作效率，但也有較傳統(tǒng)PFC預整流器更復雜的缺陷，且設計人員必須使用更大的電感組件。如果深入探究傳統(tǒng)PFC升壓預整流器的電感區(qū)域乘積(WaAcT)及半無橋式PFC預整流器的整體電感乘積(WaAcS)，即可看出這一點。

　　磁性設計人員透過以繞組(Winding)區(qū)域(Wa)及核心橫截面區(qū)域(Ac)為基礎的區(qū)域乘積計算來選取磁性核心。公式1～3計算半無橋式及傳統(tǒng) PFC預整流器的電感區(qū)域總乘積，其中L是PFC升壓電感，IP是峰值PFC輸入電流，ILRMS是均方根(RMS)電流的PFC電感，變量CD表示所設計電感的電流密度，變量ΔB表示電感中磁通量密度(Flux Density)的變化，Ku表示磁性階段繞組效率。

　　從這些區(qū)域乘積的等式中，可看出半無橋式PFC電感乘積的區(qū)域總乘積大約比傳統(tǒng)PFC預整流器的區(qū)域乘積高出1.414倍。亦即半無橋式PFC的總磁量比使用單一升壓功率級的傳統(tǒng)PFC預整流器至少高出1.4倍。

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　　交錯式PFC具備低EMI/小尺寸優(yōu)勢

　　交錯式PFC預整流器則是將兩個升壓功率級交錯。這項控制技術須使兩個經(jīng)過功率因素校正的升壓功率級保持180度反相運作。此一拓撲具有多項優(yōu)點，因此受到廣泛運用，其中一項主要的優(yōu)點是可以消除輸入及輸出電感鏈波電流。如果設計得宜，亦有助于降低整體升壓電感及/或電磁波干擾(EMI)磁量。消除輸出電感鏈波電流可減少升壓電容均方根電流，使電容體積縮小25%以上。讀者須特別注意，此處所指的電容體積縮小不是指升壓電容體積可以縮小，因為升壓電容一般是由延遲時間及輸出功率所決定。圖2為交錯式PFC預整流器示意圖。

圖2　交錯式PFC預整流器與其電路拓撲

　　交錯式PFC預整流器會將傳導損耗分散于兩個 PFC升壓功率級(PCONDUCTION_INTERLEAVED)。相較于使用傳統(tǒng)單一升壓功率級PFC，設計人員可使用交錯式PFC減少將近一半的傳導損耗。如果深入探討交錯式PFC升壓的簡化傳導耗損等式，以及傳統(tǒng)單一升壓功率級PFC預整流器的簡化傳導耗損等式 (PCONDUCTION_TRADITIONAL)，即可看出這一點(公式4～6)。

　　將PFC預整流器交錯可減少升壓電感的總磁量，為了證實這一點，可深入探究交錯式PFC預整流器內(nèi)兩個電感的總電感區(qū)域乘積(WaAcI)，以及傳統(tǒng) PFC預整流器升壓電感的區(qū)域總乘積。從公式7與公式8可看出交錯式的總區(qū)域乘積是傳統(tǒng)PFC升壓電感區(qū)域總乘積的一半。實際上，交錯式PFC預整流器兩個電感的總升壓電感量會比傳統(tǒng)PFC升壓電感的電感量少32%。

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　　半無橋/交錯式拓撲各擅勝場

　　交錯式及半無橋式PFC的效率表現(xiàn)均可圈可點。半無橋式PFC可減少系統(tǒng)中橋式整流器一半的耗損進而提升效率，交錯式PFC可分散電源而降低一半預整流器的傳導耗損。為評估使用交錯式及半無橋式PFC所能實現(xiàn)的效率提升，筆者實際進行了一項實驗，將300瓦的轉換模式(Transition Mode)交錯式PFC預整流器系統(tǒng)修改成150瓦，并將之與150瓦半無橋式PFC預整流器和傳統(tǒng)單一升壓功率級150瓦轉換模式PFC預整流器一起比較，以了解三種預整流器拓撲從30瓦負載升高到150瓦滿負載的效率變化。

　　為使具備恒定通導時間的交錯式轉換模式PFC預整流器能在圖1所示的轉換模式半無橋式拓撲下運　作，筆者額外設計了一套外部電路(圖3)，讓交錯式PFC預整流器的各個電感能在半無橋式拓撲中達到零電流偵測(Zero Current Detection)。此電路可用于大多數(shù)單一升壓功率級的恒定通導時間轉換模式PFC控制器，進而得以用于半無橋式轉換模式PFC預整流器。

圖3　將交錯式拓撲轉換為半無橋式轉換模式所需的額外電路

　　圖4即為此一實驗的結果。為了使比較的基礎一致，各個場效晶體管(FET)都是以一個離散的1.5安培閘極驅動電路加以驅動，因此場效晶體管在這三種拓撲都能達到相同的升高與降低時間。從圖4可看出，傳統(tǒng)及半無橋式PFC預整流器在輕負載時所發(fā)揮的效率高于交錯式 PFC預整流器，因為在輕負載下驅動兩個場效晶體管時，其切換耗損相當嚴重。關閉輕負載條件下的相位，可提升PFC預整流器的輕負載效率，進而達到近似傳統(tǒng)預整流器的輕負載效率。

圖4　三種PFC預整流器效率比較

　　當系統(tǒng)處于150瓦滿載狀態(tài)下時，由于傳導損耗相當嚴重，因此傳統(tǒng)PFC預整流器的效率最低。半無橋式PFC預整流器的滿載效率略優(yōu)于傳統(tǒng)PFC預整流器，效率大約高出0.7%，但仍低于交錯式PFC預整流器的1.3%，因此交錯式PFC預整流器的滿載效率是最佳的。

　　高功率密度應用宜采交錯式PFC

　　根據(jù)筆者的評估與實驗結果，半無橋式PFC預整流器確實比傳統(tǒng)單一升壓功率級PFC預整流器更有效率，然而，半無橋式PFC的電感總量比傳統(tǒng)PFC升壓電感至少高出1.4倍，因此嚴重影響預整流器的功率密度。

　　在所評估的三種拓撲中，半無橋式PFC可發(fā)揮最大的輕負載效率，而在傳導損耗相當嚴重且轉換器須散熱的滿負載情況下，交錯式PFC預整流器的效率最高。 整體來說，交錯式PFC預整流器所發(fā)揮的優(yōu)點，遠高于半無橋式及傳統(tǒng)PFC拓撲。藉由降低電感及電磁波干擾總磁量，交錯式PFC預整流器可在設計中達到最高的功率密度，而且比起傳統(tǒng) PFC更能縮小電容體積。此外，利用交錯可減少一半的傳導損耗，并且能縮小散熱器體積，進而達到較高的功率密度。