账号:
密码:
CTIMES / 文章 /   
了解PFC对实现高效能至关重要
 

【作者: Joel Turchi】2019年12月16日 星期一

浏览人次:【3612】
  

几??每个人都意识到需要使能效最隹化,无论是力求在高能源价格时代限制成本的消费者和企业营运商,还是期??满足日益复杂要求和众多标准的设计人员。如果未以浪费能源的高成本为动力,那麽产生能量对环境的影响就会随着热量的增加而成为越来越显着的问题。


认知到需要改进,各国政府和产业协会都制定了书面标准,在某些情况下必须在产品投入至市场前就先满足这些标准。关注成本或有环保意识的客户在做出购买决定时会依赖这些标准,以确保他们购买的是高效能产品。


需要解决的一个关键领域是功率因数调整级(Power Factor Correction;PFC),包括电磁干扰(Electro-Magnetic Interference;EMI)滤波器。


高效能不仅仅在单一点

对於任何与电源有关的应用,效能一直是个问题,也是制造商在其规格中规定的一个叁数。然而在过去,高效能被认为是单一点最好的可能数字,通常在满载负荷的75%左右。


因此,制造商将注意力集中在这一负载水准,以提高他们所认知的产品效能。但实际上器件在这个功率水准上只工作一小部分时间。在实际应用中,特别是具有动态负载的应用,这代表实际能效远远低於预期。


为解决这种情况,现代能源标准考虑的是整个能效曲线的性能,而不仅仅是曲线上的最隹点。因此,设计人员正在研究如何设计电源转换系统的关键元件,以在低负载和中等负载水准下运作得更好。最关键的一个领域是PFC和EMI滤波器,二者共消耗高达8%的输出功率。


PFC概述

电力公司的供电电压总是正弦的,但线路电流的波形和相位取决於所供电的负载。对於最简单的电阻负载,负载电流也是正弦的,并且在相位上使功率易於计算。


如果负载中有无功元件(reactive element),如电感或电容器,则负载电流保持正弦,但相移与电压有关。在这种情况下,有效功率(也称为「实际」或「平均」功率)像以前一样计算,但要乘以相角(「位移因数」)的馀弦。无功负载越多,有效功率越低。


非线性负载的情况更复杂,例如整合一个二极体电桥和大输入电容典型开关电源的输入级。在这里,电流是一系列浪涌尖峰,计算功率要使用傅立叶转换(Fourier transformation)。



图一 : 无功负载(左)和非线性负载(右)的电压(蓝色)和电流(红色)
图一 : 无功负载(左)和非线性负载(右)的电压(蓝色)和电流(红色)

平均两个正弦波的乘积需要复杂的计算,只有当两个波形具有相同的频率时,才能给出一个非零的结果。但由此可以得出,只有基本分量才能提供真正的功率,而谐波只产生无用的??圈电流。


与位移因数类似,失真因数模拟失真(非正弦)波形对实际功率的影响,将实际功率定义为均方根电压、均方根电流和这两个因数的乘积。进一步分析将展示总谐波失真(Total Harmonic Distortion;THD)。


实际上,系统的功率因数只是位移和失真因数的乘积,因此,真正的功率是均方根电压、均方根电流和功率因数的乘积。


调整功率因数的实用方法

涉及PFC的主要标准是EN 61000-3-2 ,这是为了最小化从电网提供的任何电流THD而编写的,透过定义从第二次到第四十次的所有谐波最大幅值来进行。PFC的要求也在其他文件中(例如能源之星规范━Energy Star)有所提及,许多人认为这引发了PFC技术普遍用於许多应用。


到目前为止,用於满足这些标准最常见(和最有效)的PFC是主动式PFC。一种典型的方法是在输入整流桥和大电容器之间添加一个PFC前置稳压器,以提供恒定的电压,同时确保电流波形是正弦的。



图二 : PFC在二极体电桥和大电容器之间
图二 : PFC在二极体电桥和大电容器之间

这种方法除了明显提高功率因数外,还有许多好处。从PFC输出的通常是一个调节得相当好的400 V,这使得下游转换器的设计更容易,成本更低。另外,无脉冲电流降低了EMI滤波要求,减少了体积和成本.


然而,这种类型的PFC前置转换器不能达到100%的能效,因此,确实造成了系统损耗。在任何电源系统中,都有两种主要类型的损耗,开关和导通。导通损耗是两种损耗之和:一种由於二极体电桥的正向电压等因素与系统功率成正比,另一种与系统功率平方成正比,进而构成阻抗损耗如MOSFET的导通电阻。在较高的功率水准下,後者对能效的影响最大。



图三 : 开关和导通损耗构成电源系统的总损耗
图三 : 开关和导通损耗构成电源系统的总损耗

另一方面,开关损耗很大部分与电流成正比,因此与传输的功率成正比。而其它部分是恒定的,与系统的功率无关。它们是由寄生电容和电荷电流引起的,通常与系统的开关频率成正比。随着设计人员增加运作频率以减少系统尺寸,开关损耗成为一个更大的挑战,特别是在较低的功率水准下,它们在能效损耗中占相当大比例。


PFC控制方案

PFC的各种控制方案都是为了满足不同系统的需要而开发的,但总目标都是降低轻载下的开关损耗和较重负载下的导通损耗。


如图所示,有三种基本的控制方案。连续导通模式(Continuous Conduction Mode;CCM)在固定频率工作并限制电感电流纹波,同时支援更高损耗。它通常用於较高功率系统(>300 W)。


临界导通模式(Critical conduction Mode;CrM)在电感电流降到零时开始一个新的开关周期,进而快速恢复二极体。这导致可变开关频率具有较大纹波电流。这种简单而低成本的方案广泛用於包括照明在内的低功耗应用。随着低导通电阻的MOSFET越来越普遍,CrM正用於更高功率的应用中。



图四 : 初级单路PFC运作模式
图四 : 初级单路PFC运作模式

频率钳位元临界导通模式(Frequency-Clamped Critical conduction Mode;FCCrM)是在几年前由安森美半导体推出的,用以限制CrM下的扩频。在频率最高的轻载下,运作模式改为非连续导通模式(Discontinuous Conduction Mode;DCM),以降低开关损耗。额外的电路解决了DCM中典型的「死区时间」,进而确保当前的波形是正确的形状。


安森美半导体提供广泛的元件方案,包括功率因数控制器和电源开关,以及重要的设计资源,使设计人员有把握地开发PFC方案。


(本文作者Joel Turchi为安森美半导体技术人员)


相关文章
BCM将高压电池转化至SELV系统
多功能系统需要高弹性可设定 20V高电流电源管理IC
2020年汽车电子行业趋势
实现超低功耗、具成本优势的语音交互应用之音讯方案
预认证互联简化IoT应用
comments powered by Disqus
相关讨论
  相关新品
Platform Manager Devices
原厂/品牌:Lattice
供应商:Lattice
產品類別:Power
Power Manager II Hercules Development Kit
原厂/品牌:Lattice
供应商:Lattice
產品類別:Power
Processor PM Development Kit
原厂/品牌:Lattice
供应商:Lattice
產品類別:Power
  相关新闻
» 恩智浦以四大关键技术打造多元应用面向
» IIR HiRel 与 NASA毅力号火星探测车共创里程碑
» SCHURTER通过奕力解决方案扩展PCAP控制器组合
» 安森美半导体评定Digi-Key为年度全球优质服务经销商
» GTAT和安森美半导体签署碳化矽材料供应协议 提高宽能隙材料全球供应
  相关产品
» 安森美半导体影像感测技术 用於速霸陆新一代ADAS平台
» 瑞萨新款光隔离型三角积分调变器适用於工业自动化应用
» DELO 推出新款旒合剂适用於功率半导体元件
» 安森美半导体推出900V和1200V SiC MOSFET 用於高要求高增长应用
» 安森美半导体推出先进汽车照明的LED驱动器和控制器
  相关资源
» Power Management Solutions for Altera FPGAs

AD


刊登廣告 新聞信箱 读者信箱 著作權聲明 隱私權聲明 本站介紹

Copyright ©1999-2020 远播信息股份有限公司版权所有 Powered by O3
地址:台北市中山北路三段29号11楼 / 电话 (02)2585-5526 / E-Mail: webmaster@ctimes.com.tw