【導讀】dianzishebeiyuelaiyueduodijierudianwang

，zhezengjialedianwangdeshizhenjilv，yeshipeidianwangluorongyichanshengwenti。weihuanjiezhexiewenti
，dianyuanshejixuyaoxianjindegonglvyinshuxiaozheng (PFC) 電路來滿足嚴格的功率因數 (PF) 標準。

功率因數校正最常用的拓撲是升壓 PFC
，但寬禁帶 (WBG) 半導體（如 GaN 和 SiC）的出現推動了圖騰柱 （totem-pole）PFC 等無橋拓撲的實現，而MPF32010等先進的圖騰柱控製器更加簡化了交錯式圖騰柱 PFC 等複雜設計的控製。本文對三種拓撲在不同應用中的使用情況進行了比較，包括交錯式升壓PFC

、無橋圖騰柱 PFC 和交錯式圖騰柱 PFC。

交錯式升壓 PFC

交錯式升壓 PFC 是最常見的功率因數校正拓撲。 這種拓撲除了采用整流二極管橋將交流電壓轉換為直流電壓之外
，還包含了升壓變換器（參見圖 1）。 升壓變換器將電壓提升至一個較高的值，這降低了輸出電壓紋波
，同時將電流整形為正弦波。

圖 1：交錯式升壓 PFC 原理圖

功gong率lv因yin數shu的de校xiao正zheng僅jin通tong過guo一yi個ge升sheng壓ya變bian換huan器qi即ji可ke實shi現xian
，但dan設she計ji人ren員yuan通tong常chang會hui將jiang相xiang互hu之zhi間jian存cun在zai相xiang移yi的de兩liang個ge或huo多duo個ge變bian換huan器qi並bing聯lian連lian接jie使shi用yong。這zhe種zhong交jiao錯cuo連lian接jie可ke以yi提ti高gao效xiao率lv
，同tong時shi降jiang低di輸shu入ru電dian流liu紋wen波bo。 

無橋圖騰柱 PFC

將新型半導體材料尤其是碳化矽（SiC）yingyongyugonglvkaiguan，keyishizhiqianshouzhiyuguideretexingyudiantexingerwufashixiandeshejibiandekexing。qizhongzhiyijiweiwuqiaotutengzhutuopu
，gaituopujichenglezhengliuheshengyaji，bingtigonglianggeyibutongpinlvgongzuodekaiguanzhilu（見圖 2）。

圖 2：無橋圖騰柱 PFC 原理圖

第一個分支稱為慢速分支（SD1 和 SD2），以電網頻率（例如 50Hz至60Hz 之間）換向。 它采用傳統矽開關，主要負責對輸入電壓進行整流。第二個分支稱為快速分支（Q1 和 Q2），主要在提升電壓的同時對電流整形，該分支需要以極高的頻率（約 100kHz）進行切換。具有較高頻率的高功率切換會給開關帶來更大的熱應力和電應力，變換器需要利用寬禁帶半導體器件（例如 SiC 和 GaN MOSFETS）才能安全高效地工作。

與(yu)交(jiao)錯(cuo)式(shi)升(sheng)壓(ya)變(bian)換(huan)器(qi)相(xiang)比(bi)，這(zhe)種(zhong)拓(tuo)撲(pu)通(tong)常(chang)能(neng)改(gai)善(shan)性(xing)能(neng)。但(dan)額(e)外(wai)的(de)有(you)源(yuan)開(kai)關(guan)使(shi)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)變(bian)得(de)更(geng)加(jia)複(fu)雜(za)，這(zhe)個(ge)問(wen)題(ti)通(tong)常(chang)可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)集(ji)成(cheng)式(shi)圖(tu)騰(teng)柱(zhu)控(kong)製(zhi)器(qi)得(de)到(dao)緩(huan)解(jie)。

交錯式圖騰柱 PFC

為了提高無橋圖騰柱 PFC 的效率，還可以添加額外的高頻分支，創建交錯式圖騰柱 PFC。該(gai)額(e)外(wai)分(fen)支(zhi)可(ke)降(jiang)低(di)變(bian)換(huan)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)紋(wen)波(bo)，並(bing)將(jiang)變(bian)換(huan)器(qi)的(de)功(gong)率(lv)要(yao)求(qiu)平(ping)均(jun)分(fen)配(pei)到(dao)所(suo)有(you)分(fen)支(zhi)，從(cong)而(er)最(zui)大(da)限(xian)度(du)地(di)減(jian)小(xiao)布(bu)局(ju)尺(chi)寸(cun)
，降(jiang)低(di)總(zong)成(cheng)本(ben)。

圖 3：交錯式無橋圖騰柱 PFC 原理圖

PFC 拓撲的比較實驗設計

操作參數

為了比較不同情況下的拓撲結構
，我們針對兩個功率級別開發了一係列仿真模型。同時采用相同的係統規格，以使結果具有可比性（見表 1）。

表1: 係統規格

參數比較

為進行拓撲比較而定義的關鍵參數如下所述。

輸入電流紋波(ΔIIN): ΔIIN表示輸入電流的變化量，通過測量單個開關周期內輸入電流的最大值與最小值之差獲得。ΔIIN用公式 (1) 來計算：

電流總諧波失真(THDI)：在沒有濾波器的情況下測量輸入電流中存在的諧波失真可得到 THDI。THDI可以用公式 (2) 估算：

感性能量指數 (IEI) 和容性能量指數 (CEI)：這些指數提供變換器每單位功率的電感和電容要求信息（請參見公式 3 和 4），它們與組件的最終尺寸和成本密切相關。IEI 可以用公式 (3) 計算：

CEI可以用公式 (4) 估算：

總開關功率指數 (TSP)：TSP 比較變換器半導體器件每功率單元（類似於矽等效麵積）的電壓和電流應力。TSP 與變換器中矽器件的最終成本密切相關。TSP 可以用公式 (5) 計算：

Efficiency (ƞ): 效率 (ƞ)：效率用於比較功率因數校正電路中損失的能量。通過計算電路消耗的輸入功率與輸出端可用功率之間的比率（參見公式 5）可以得出效率。它指明了功耗最小的拓撲結構。效率可以用公式 (6) 估算：

圖騰柱 PFC 與交錯式升壓 PFC 的比較結果

第一項測試模擬了 300W 應用的所有三種拓撲，這種功率級別通常用於計算機電源。第二項測試模擬了3kW 應用下的拓撲，這種高功率級別通常用於電動汽車充電等應用。

tongguotuopubijiaokeyidechumeizhongtuopudechangjiantexing。raner
，zhexieshejidexingnengzaihendachengdushangqujueyusuoxuanzedeqijianjiqicaozuocanshu。yinci，shejirenyuanbixurenzhensikao
，helixuanzesheji

，bingzhenduiyingyongshenshenyouhua。weichanmingzheyidian，womenduijinkaolvqijiansunhaodegonglvsunhaojinxingfenxi，leisiqijiankeyiyongyusuoyoutuopu。

圖騰柱 PFC 的功耗優勢

拓撲比較的第一個關鍵發現是：圖騰柱PFC不(bu)包(bao)含(han)整(zheng)流(liu)橋(qiao)，因(yin)此(ci)減(jian)少(shao)了(le)開(kai)關(guan)器(qi)件(jian)的(de)數(shu)量(liang)。升(sheng)壓(ya)變(bian)換(huan)器(qi)中(zhong)的(de)二(er)極(ji)管(guan)橋(qiao)始(shi)終(zhong)導(dao)通(tong)，因(yin)此(ci)導(dao)通(tong)損(sun)耗(hao)是(shi)影(ying)響(xiang)該(gai)拓(tuo)撲(pu)效(xiao)率(lv)的(de)關(guan)鍵(jian)因(yin)素(su)。低(di)功(gong)率(lv)時(shi)，變(bian)換(huan)器(qi)中(zhong)的(de)電(dian)流(liu)相(xiang)對(dui)較(jiao)小(xiao)
，因(yin)此(ci)大(da)部(bu)分(fen)功(gong)耗(hao)在(zai)開(kai)關(guan)操(cao)作(zuo)期(qi)間(jian)產(chan)生(sheng)。這(zhe)也(ye)是(shi)升(sheng)壓(ya)和(he)圖(tu)騰(teng)柱(zhu) PFC 拓撲在 300W 應用中具有相似效率的原因（參見圖 4）。傳統和交錯式圖騰柱設計中的損耗差別不大，為簡單起見，我們對交錯式升壓變換器和圖騰柱變換器之間的效率進行比較。

圖 4：300W 設計中的功率損耗

當以 3kW 功gong率lv運yun行xing時shi，電dian路lu中zhong的de電dian流liu明ming顯xian提ti高gao，由you於yu整zheng流liu器qi二er極ji管guan中zhong的de高gao等deng效xiao電dian阻zu，升sheng壓ya拓tuo撲pu中zhong會hui產chan生sheng明ming顯xian的de傳chuan導dao損sun耗hao。因yin此ci

，在zai大da功gong率lv應ying用yong中zhong，圖tu騰teng柱zhu PFC的效率要高得多（參見圖 5）。

圖5: 3kW設計中的功率損耗

交錯式升壓和圖騰柱 PFC拓撲的效率提升

升壓和圖騰柱 PFC 拓撲比較的另一個關鍵點是工作模式的比較。圖騰柱拓撲通常工作於連續導通模式 (CCM) ，而交錯式升壓拓撲則工作於臨界導通模式 (CrCM) 。CCM 操作可以顯著降低電感電流紋波和 THDI，而 CrCM 因需要的電感更小而導致更低的感性能量指數 (IEI)（參見圖 6）。

圖6: 輸入電流仿真結果

然而，THDI增大意味著升壓 PFC 需要一個較大的輸入濾波器來滿足電能質量要求
，這削弱了無需電感器帶來的益處，如成本和尺寸的降低。此外
，CrCM 中的開關電流遠大於 CCM 中的電流，這會增加開關元件的電壓和電流應力（參見圖 7）。

圖 7：流經電感的電流仿真結果

並bing聯lian多duo個ge變bian換huan器qi可ke以yi將jiang電dian流liu應ying力li分fen布bu在zai多duo個ge相xiang位wei上shang，從cong而er提ti高gao性xing能neng。就jiu其qi本ben身shen而er言yan，單dan個ge非fei交jiao錯cuo式shi升sheng壓ya變bian換huan器qi的de效xiao率lv和he性xing能neng是shi無wu法fa與yu圖tu騰teng柱zhu PFC相比的。但通過交錯連接多個升壓變換器，性能可以得到明顯提高。因此，交錯式升壓拓撲是中檔功率應用的有效選擇，如上文提到的 300W 示例（參見圖 8）。

然而，在高功率下，交錯式升壓變換器的效率卻難以與圖騰柱拓撲相比擬。而且
，對3kW 或huo更geng高gao功gong率lv的de應ying用yong
，即ji使shi是shi圖tu騰teng柱zhu變bian換huan器qi也ye可ke受shou益yi於yu交jiao錯cuo式shi連lian接jie。交jiao錯cuo式shi連lian接jie將jiang電dian流liu分fen配pei到dao兩liang個ge支zhi路lu上shang，從cong而er使shi每mei個ge支zhi路lu的de電dian感gan都dou減jian半ban，這zhe放fang寬kuan了le電dian源yuan開kai關guan要yao求qiu
，同tong時shi也ye降jiang低di了le輸shu入ru電dian流liu紋wen波bo。

圖 8：交錯式升壓 PFC 中的電感電流

表 2對三種 PFC 拓撲的不同參數進行了總結。

表 2：PFC 拓撲比較仿真結果

結論

本文通過仿真和關鍵參數的比較說明了交錯式升壓

、圖騰柱和交錯式圖騰柱 PFC 拓撲的主要特性，幫助設計人員為其應用選擇最佳拓撲。

升壓 PFC 拓撲結構簡單，因此成為大多數設計人員的首選解決方案。然而，升壓 PFC 在大功率應用中的效率較低，因此在這種情況下，盡管圖騰柱 PFC 拓撲增加了複雜性，但可能更可取。而且
，MPF32010等集成式圖騰柱控製器的引入能夠極大地簡化圖騰柱 PFC 變換器的實現。

免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在於傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻
、圖片
、文字如涉及作品版權問題，請聯係小編進行處理。

推薦閱讀：

使用MEMS傳感器進行振動監測

高度集成賦能電源管理的創新

有無N線時測試三相電功率有何不同？

汽車ADAS進化的百年曆史（一）

微源半導體LDO選型攻略