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PFC輕負載效率要提高,交流跳轉(zhuǎn)周有妙招

發(fā)布時間:2014-10-26 責(zé)任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】輸入功率大于等于75瓦的電源需要使用功率因數(shù)校正 (PFC)。功率校正因數(shù)能夠強制輸入電流隨輸入電壓變化而變化。功率因數(shù)、總諧波失真、效率是判斷PFC性能的標準,在輕負載條件下,效率、PF、THD性能隨之降低。本文中主要解析了交流跳轉(zhuǎn)周模式是如何提高PFC輕負載效率的。

圖表1中顯示的是一個典型PFC效率曲線。需要注意的是,輕負載時效率變得越來越低。這是因為在輕負載時,半導(dǎo)體元件的開關(guān)損耗、驅(qū)動損耗和反向恢復(fù)損耗成為影響效率的主要因素。同時,PFC有可能從連續(xù)傳導(dǎo)模式 (CCM) 轉(zhuǎn)換為斷續(xù)傳導(dǎo)模式 (DCM),這一轉(zhuǎn)換使得轉(zhuǎn)換器動態(tài)性能突然發(fā)生變化,并且電流環(huán)帶寬大大減少。減小的電流反饋信號也使得對電路的控制變得十分困難。因此,電流波形的THD增加(圖表2)。本文提出一個在PFC進入輕負載條件下時增加效率并減少THD的全新方法。在這一方法中,當負載被減少到小于預(yù)定的閥值時,PFC進入一個特殊的突發(fā)模式。在這個模式下,根據(jù)負載的大小,PFC會跳過一個或多個交流周期。換句話說,PFC會在一個或多個交流周期內(nèi)關(guān)閉,而在下一個交流周期到來時重新打開。打開/關(guān)閉情況出現(xiàn)在交流零交叉點上,這樣的話就跳過了整個交流周期。此外,由于PFC打開/關(guān)閉出現(xiàn)在電流為零的時候,所以產(chǎn)生的應(yīng)力和電磁干擾 (EMI) 噪聲會更小。這一點與傳統(tǒng)脈寬調(diào)制 (PWM) 脈沖跳躍突發(fā)模式不同;在這種模式下,PWM脈沖被隨機跳過。

PFC輕負載效率要提高,交流跳轉(zhuǎn)周有妙招 PFC輕負載效率要提高,交流跳轉(zhuǎn)周有妙招
圖1:典型PFC效率曲線
圖2:電流波形的THD增加
 
將被跳過的交流周期數(shù)量與負載成反比。如果負載持續(xù)減少到閥值以下,將會有更多的交流周期被跳過。

按照負載與將被跳過的周期數(shù)量之間的關(guān)系可生成一張查詢表格。這張表格將顯示將輸出電壓紋波保持在額定范圍內(nèi)時可跳過的最大交流周期數(shù)量。圖表3顯示了在不同負載下跳過的四個不同數(shù)量的交流周期。一旦PFC關(guān)閉,開關(guān)損耗、驅(qū)動損耗和反向恢復(fù)損耗全部減少為零,并且功率損耗只是PFC待機功率。由于電流為零,THD為零。當PFC打開時,它傳送的功率大于輕負載條件下所需要的功率,這是因為它需要對關(guān)閉期間的功率進行補償。由于現(xiàn)在PFC在中度負載中運行或者完全關(guān)閉以跳過交流周期,輕負載效率被增加,而THD被減少。圖表4和5顯示了這一特殊突發(fā)模式所帶來的效率和THD方面的改進。
PFC輕負載效率要提高,交流跳轉(zhuǎn)周有妙招
圖3:不同負載下被跳過的交流周期數(shù)量典型的PFC效率曲線實例
 
需要注意的是,當PFC關(guān)閉來跳躍交流周期時,需要將電流環(huán)路和電壓環(huán)路凍結(jié)。否則的話,這些環(huán)路中的積分器發(fā)生累積,在PFC重新打開時生成一個較大的PWM脈沖,這個脈沖會導(dǎo)致一個很大的電流尖峰。
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為了確定PFC是否進入輕負載狀態(tài),需要監(jiān)視負載信息。正常情況下,在PFC輸出上沒有電流傳感器,所以無法直接測量輸出負載。

然而,在VIN固定時,PFC電壓環(huán)路輸出與負載成比例。因此,環(huán)路輸出可大體上用作一個指示器,確定PFC是否運行在輕負載條件下。

如果需要跳過精確數(shù)量的交流周期才能將輸出電壓紋波保持在額定范圍內(nèi),那么就需要準確的負載信息。由于電路中有一個測量PFC電流環(huán)路穩(wěn)壓輸入電流的電流分流器,那么就可以測量PFC的輸入功率。輸入電流和電壓可由模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 進行監(jiān)視,然后這些轉(zhuǎn)換器可被用來計算實際的輸入功率。這些準確的輸入功率信息可被用來精確地調(diào)節(jié)將被跳過的交流周期的數(shù)量。

PFC輕負載效率要提高,交流跳轉(zhuǎn)周有妙招
圖4:效率比較
PFC輕負載效率要提高,交流跳轉(zhuǎn)周有妙招
圖5:THD比較
PFC輕負載效率要提高,交流跳轉(zhuǎn)周有妙招
圖6:交流跳周期間0至100%的負載瞬態(tài)
 
這一方法中需要注意的一點是負載瞬態(tài)期間的壓降。假定PFC關(guān)閉時出現(xiàn)負載升壓,VOUT有可能會下降很多。為了解決這個問題,用比較器將VOUT與預(yù)定閥值進行比較。一旦VOUT低于這個閥值,PFC將立即退出突發(fā)模式,交流周期跳躍被禁用,并且PFC返回到正常運行。這種處理瞬態(tài)響應(yīng)的方法就好像沒有特殊突發(fā)模式一樣。圖表6顯示交流周期跳躍期間0至100%的負載瞬態(tài)效應(yīng)。需要注意的是,瞬態(tài)期間的VOUT壓降只有27V,這一壓降值對于一個360W PFC來說很正常。

結(jié)論


本文中提出的方案使得PFC突發(fā)模式在PFC運行在輕負載的條件下實現(xiàn)一個或多個交流周期跳轉(zhuǎn)。在此過程中,THD和效率都得到了提升。輸出電壓紋波在額定范圍時,根據(jù)負載調(diào)節(jié)被跳過的交流周期數(shù)量更加精確,性能得到最大的提升。如果負載瞬態(tài)在PFC關(guān)閉時出現(xiàn),則突發(fā)模式會立即被禁用,PFC則用來處理負載瞬態(tài)效應(yīng)。如何來實現(xiàn)這一功能呢?無需其他,數(shù)字控制器完全能夠?qū)崿F(xiàn)。

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