功率因數校正（PFC）對于使交流市電供電的設備（包括交流/直流電源，電池充電器，基于電池的能量存儲系統，電動(dòng)機驅動(dòng)器和不間斷電源）的效率#大化是必要的。它的重要性在于，存在規定特定類(lèi)型的電子設備的#小功率因數（PF）級別的法規。
為了在不斷縮小的外形尺寸內不斷面臨改善整體性能的壓力下滿(mǎn)足這些法規，設計人員正在轉向有源PFC設計，該設計利用數字控制技術(shù)和寬帶隙變送器（例如碳化硅（SiC）和氮化鎵（ GaN）。
本文回顧了PF概念和定義，包括IEEE和IEC以及相關(guān)標準之間的不同定義。然后，它介紹了STMicroelectronics，Transphorm，Microchip Technology和Infineon Technologies等供應商提供的PFC解決方案，設計人員可以使用這些解決方案通過(guò)寬帶隙變送器和數字控制來(lái)實(shí)現PFC，包括使用評估板。
什么是功率因數校正，為什么需要它？
PF是系統無(wú)功功率水平的度量。無(wú)功功率不是真正的功率，而是代表彼此異相的伏特和安培的影響（圖1）。由于它們異相，因此它們無(wú)法有效地發(fā)揮作用，但仍然會(huì )成為交流市電電源線(xiàn)的負載。系統中的無(wú)功功率量是能量傳輸效率低下的一種度量。有源PFC使用功率電子器件來(lái)改變負載汲取的電流波形的相位和/或形狀，以改善PF。使用PFC可以提高整體系統效率。
在線(xiàn)性或非線(xiàn)性負載中，PF可能會(huì )變差。非線(xiàn)性負載會(huì )使電壓波形或電流波形或兩者同時(shí)失真。當涉及非線(xiàn)性負載時(shí)，稱(chēng)為失真PF。
線(xiàn)性負載不會(huì )使輸入波形的形狀失真，但會(huì )由于其電感和/或電容而改變電壓和電流之間的相對時(shí)序（相位）（圖2）。包含主要電阻性負載的電路（例如，白熾燈和加熱元件）的功率因數約為1.0，但是包含電感性或電容性負載的電路（例如，開(kāi)關(guān)模式功聅hou黃鰨綞�，电礆W�，变研M骱駝蛄髕鰨┛梢訮F遠低于1.0。
大多數電子負載不是線(xiàn)性的。非線(xiàn)性負載的示例是開(kāi)關(guān)模式功聅hou黃骱偷緇》諾縞璞�，例壤i獾�，稻U富虻緇÷�。由又q廡┫低持械牡緦鞅豢囟髦卸�，因凑f(shuō)緦靼鈉德史至渴塹緦ο低稱(chēng)德實(shí)謀妒�。失真PF是負載電流的諧波失真會(huì )降低傳輸到負載的平均功率多少的度量。
落后和lingxianPF的區別
PF滯后表示電流滯后（落后于電壓），PFlingxian表示電流滯后（lingxian于電壓）。對于電感負載（例如，感應電動(dòng)機，線(xiàn)圈和某些燈），電流滯后于電壓，從而產(chǎn)生滯后的PF。對于電容性負載（例如，同步電容器，電容器組和電子功聅hou黃鰨�，稻岟超前悼姽，蒂Z魯癙F。
滯后或lingxian的區別并不等于正值或負值。PF值之前的負號和正號由所使用的標準（IEEE或IEC）確定。
PF和IEEE與IEC
圖4中的圖表顯示了IEEE和IEC標準的功率千瓦（kW），無(wú)功伏安（var），功率因數以及感性或容性負載之間的相關(guān)性。每個(gè)組織使用不同的指標對PF進(jìn)行分類(lèi)。
圖4：根據IEC（左），功率因數符號僅取決于實(shí)際功率流的方向，并且與電感性或電容性負載無(wú)關(guān)。根據IEEE（右），功率因數符號僅取決于負載的性質(zhì)（電容性或電感性）。在這種情況下，它與有功功率的方向無(wú)關(guān)。（圖片來(lái)源：施耐德電氣）
根據IEC（圖4的左側），PF符號僅取決于有功功率的方向，并且與電感性或電容性負載無(wú)關(guān)。根據IEEE（圖4的右側），PF符號僅取決于負載的性質(zhì)（電容性或電感性）。在這種情況下，它與有功功率方向無(wú)關(guān)。對于感性負載，PF為負。對于容性負載，PF為正。
PF標準
歐盟等監管機構已設定諧波限值以改善功率因數。為了符合當前的歐盟標準EN61000-3-2（基于IEC 61000-3-2），所有輸出功率超過(guò)75瓦的開(kāi)關(guān)電源必須包括PFC。EnergyStar的80 PLUS電源認證要求在100％額定輸出功率下的PF為0.9或更高，并且需要有源PFC。撰寫(xiě)本文時(shí)，IEC標準的#新版本為：IEC 61000-3-2：2018，“電磁兼容性（EMC）-第3-2部分：限值-諧波電流發(fā)射限值（設備輸入電流≤16A）每個(gè)階段）。”
未經(jīng)校正的開(kāi)關(guān)模式電源轉換器不符合當前的PFC標準。影響PF的一個(gè)考慮因素是使用哪種類(lèi)型的AC輸入：?jiǎn)蜗嗷蛉�。未校正的單相開(kāi)關(guān)電源的PF通常約為0.65至0.75（使用上述PF符號的IEEE約定）。這是因為大多數設備使用整流器/電容器前端來(lái)產(chǎn)生直流總線(xiàn)電壓。這種配置僅在每個(gè)線(xiàn)路周期的峰值處汲取電流，從而產(chǎn)生狹窄的高電流脈沖，從而導致PF較差（請參見(jiàn)上面的圖3）。
三相未校正的開(kāi)關(guān)模式功聅hou黃骶哂薪細叩腜F，通常接近0.85（也使用PF符號的IEEE約定）。這是因為即使使用整流器/電容器來(lái)產(chǎn)生DC總線(xiàn)電壓，也有三相可以相加地改善整體PF。但是，如果不使用有源PF校正電路，則單相或三相開(kāi)關(guān)模式功聅hou黃鞫嘉薹愕鼻暗腜F規定。
使用WBG變送器和數字控制設計有源PFC
數字控制技術(shù)和包括GaN和SiC的寬帶隙功率變送器的使用為設計人員提供了有源PFC電路的新選擇，與基于模擬控制或無(wú)源PFC設計的有源PFC設計相比，有源PFC電路可以提供更高的效率和更高的功率密度。
設計人員可以用高級數字控制技術(shù)代替模擬控制器，或者用包括微控制器在內的其他數字控制元件來(lái)補充模擬控制，以實(shí)現#大的PFC性能。在某些情況下，WBG變送器也可用于改善PFC性能。
組件成本的下降加快了PFC兩種不同方法的實(shí)施：交錯設計和無(wú)橋設計。每種方法都會(huì )帶來(lái)不同的好處：
交錯式PFC的優(yōu)點(diǎn)：
效率更高
改善熱分布
降低通過(guò)PFC級的均方根電流
模塊化
無(wú)橋PFC的優(yōu)點(diǎn)：
效率更高
將輸入整流中的損失減半
改善熱分布
更高的功率密度
三通道交錯式PFC控制器結合了模擬和數字控制
意法變送器（STMicroelectronics）的STNRGPF01控制器是一種可配置的ASIC，結合了數字和模擬控制，并可以在交錯的PFC中驅動(dòng)多達三個(gè)通道（圖5）。該設備在固定頻率下以平均電流模式控制以連續導通模式（CCM）工作，并實(shí)現混合信號（模擬/數字）控制。模擬內部電流環(huán)路由硬件執行，以確保逐周期調節。外部電壓環(huán)路由具有快速動(dòng)態(tài)響應的數字比例積分（PI）控制器執行。
圖5：STNRGPF01的功能框圖顯示了三相交錯式PFC應用中的內部模擬控制部分（紅色）和外部數字控制部分（綠色）。（圖片來(lái)源：意法變送器）
STNRGPF01實(shí)施了靈活的相位削減策略，該策略可根據實(shí)際負載條件啟用正確數量的PFC通道。借助該功能，STNRGPF01始終能夠在各種負載電流要求下保證#高的功率效率。
該控制器具有多種功能：浪涌電流控制，軟啟動(dòng)，突發(fā)模式冷卻管理和狀態(tài)指示。它還具有全套嵌入式保護功能，可防止過(guò)壓，過(guò)流和熱故障。
為了幫助設計人員入門(mén)，意法變送器還提供了基于STNRGPF01的STEVAL-IPFC01V1 3 kW PFC電源管理評估板（圖6）。功能和規格包括：
輸入電壓范圍：90至265 V AC
線(xiàn)路頻率范圍：47至63赫茲（Hz）
#大輸出功率：230伏特時(shí)為3千瓦
輸出電壓：400伏
PF：20％負載時(shí)> 0.98
總諧波失真：在20％負載下<5％
混合信號控制
開(kāi)關(guān)頻率：111千赫茲（kHz）
逐周期調節（模擬電流控制回路）
輸入電壓和負載前饋
相脫落
突發(fā)模式操作
圖6：STEVAL-IPFC01V1框圖，顯示：1. I / O測量信號；2.模擬電路；3.功率級；4.數字控制部分，帶STNRGPF01數字控制器；在三相交錯式PFC中。（圖片來(lái)源：意法變送器）
除STNRGPF01混合信號控制器外，該評估板還包括STW40N60M2 N通道，600伏，34安培（A）低Qg硅功率MOSFET和PM8834TR柵極驅動(dòng)器IC。
具有GaN FET的無(wú)橋圖騰柱PFC
開(kāi)發(fā)了無(wú)橋PFC拓撲以消除與使用二極管橋式整流相關(guān)的電壓降和效率低下的問(wèn)題。WBG功率變送器（例如GaN和SiC）的出現使無(wú)橋圖騰柱PFC成為可能（圖7）。在傳統的圖騰柱設計（a）中，兩個(gè)GaN FET和兩個(gè)二極管用于線(xiàn)路整流。在無(wú)橋圖騰柱修改（b）中，二極管被兩個(gè)低電阻硅MOSFET取代，以取代二極管的電流-電壓（IV）下降以提高效率。
圖7：在傳統圖騰柱設計中，兩個(gè)GaN FET和兩個(gè)二極管用于線(xiàn)路整流（a）；在改進(jìn)的電路（b）中，二極管被兩個(gè)低電阻硅MOSFET取代，以取代二極管的電流-電壓降，從而提高了無(wú)橋圖騰柱的效率。（圖片來(lái)源：Transphorm）
與硅MOSFET相比，GaN高電子遷移率晶體管（HEMT）的反向恢復電荷（Qrr）小得多，這使得無(wú)橋圖騰柱設計變得切實(shí)可行（圖8）。在CCM中圖騰柱PFC的簡(jiǎn)化示意圖中，重點(diǎn)在于#小化傳導損耗。
圖8：CCM模式下圖騰柱PFC的簡(jiǎn)化示意圖包括兩個(gè)以高脈沖寬度調制頻率工作并用作升壓轉換器的快速開(kāi)關(guān)GaN HEMT（Q1和Q2），以及兩個(gè)非常低電阻的MOSFET（S1和Q2） S2）以較慢的線(xiàn)路頻率（50Hz / 60Hz）運行。（圖片來(lái)源：Transphorm）
該電路包括兩個(gè)快速開(kāi)關(guān)的GaN HEMT（Q1和Q2）和兩個(gè)非常低電阻的MOSFET（S1和S2）。Q1和Q2以高脈寬調制（PWM）頻率工作，并用作升壓轉換器。S1和S2在較慢的線(xiàn)路頻率（50 Hz / 60 Hz）下運行，并用作同步整流器。初級電流路徑僅包括一個(gè)快速開(kāi)關(guān)和一個(gè)緩慢開(kāi)關(guān)，沒(méi)有二極管壓降。S1和S2的作用是同步整流器，如圖8（b）和8（c）所示。在正交流周期中，S1接通而S2關(guān)斷，迫使連接到負極端子的交流中性線(xiàn)進(jìn)入直流輸出。負周期則相反。
設計人員可以使用Transphorm的TDTTP4000W066C 4 kW無(wú)橋圖騰柱PFC評估板來(lái)研究電路的工作情況。它使用Microchip Technology的MA330048 dsPIC33CK256MP506數字電源插入模塊（PIM）作為控制器。Transphorm的Gen IV（SuperGaN）TP65H035G4WS GaN FET可實(shí)現非常高效率的單相轉換。在電路的快速開(kāi)關(guān)腳中使用Transphorm GaN FET，在電路的慢速開(kāi)關(guān)腳中使用低電阻MOSFET可以提高性能和效率。
雙向圖騰柱PFC結合了硅FET和SiC FET
對于電網(wǎng)交互式電池電動(dòng)汽車(chē)和基于電池的儲能系統的設計人員，英飛凌提供了EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1評估板，一個(gè)具有雙向功率功能的3300瓦圖騰柱PF校正器（圖9）。這種無(wú)橋圖騰柱PFC板的功率密度高達每立方英寸72瓦。EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1板上實(shí)現的圖騰柱在CCM下以整流器（PFC）和逆變器模式工作，并使用Infineon XMC1000系列微控制器實(shí)現全數字控制。
圖9：EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 3300瓦圖騰柱PFC評估板的框圖顯示了拓撲，該拓撲可提供評估板指定的每立方英寸功率密度72瓦。（圖片來(lái)源：英飛凌科技公司）
該圖騰柱PFC結合使用了英飛凌的IMZA65R048M1 64毫歐（mΩ），650伏，CoolSiC SiC MOSFET及其IPW60R017C7 17mΩ，600伏，CoolMOS C7硅功率MOSFET的組合。該轉換器僅在CCM的高電壓線(xiàn)路（#小176伏rms，標稱(chēng)230伏rms）下工作，開(kāi)關(guān)頻率為65 kHz，在半負載時(shí)效率高達99％。在此3300瓦雙向（PFC / AC-DC和逆變器/ AC-DC）圖騰柱解決方案中使用的其他Infineon設備包括：
2EDF7275FXUMA1隔離式柵極驅動(dòng)器
帶有IPU95R3K7P7 950伏CoolMOS P7 MOSFET的ICE5QSAGXUMA1 QR反激控制器，用于偏置輔助電源
XMC1404微控制器，用于PFC控制實(shí)現
結論
PF低會(huì )導致公用電網(wǎng)和電源轉換器的效率低下，使得PFC對于各種交流電源設備都是必需的，法規規定了特定類(lèi)型電子設備的#低PF級別。為了滿(mǎn)足這些法規要求，同時(shí)滿(mǎn)足對更小尺寸和更高性能的需求，設計人員需要一種簡(jiǎn)單，低成本無(wú)源PFC技術(shù)的替代產(chǎn)品。
如圖所示，設計人員可以改為使用數字控制技術(shù)和WBG變送器（例如SiC和GaN）來(lái)實(shí)現有源PFC設計，以實(shí)現更高的PF和更緊湊的設計。
關(guān)注我們 實(shí)現共贏(yíng)