全方位半无桥式/交错式PFC

　　为了节省能源，某些公营事业公司及环保机构研拟出许多方案与奖励计划，期望能够使离线式交流对直流（AC-DC）电源转换器发挥更高的效率。为减少电线传输的耗损，这些公司和机构都要求离线式转换器具备功率因数校正（PFC）功能。这些方案包括能源之星（Energy Star）、拯救气候（Climate Savers），还有其他八十多项与运算电源相关的计划。这些计划在本质上相似，均都要求离线式电源转换器在负载从20%升高到100%时，发挥80%以上的效率，同时要求在满负载时，其功率因数要达到0.9以上。

　　为了达到这些功率因数需求，设计人员须导入PFC预整流器（Pre-regulator）。目前已开发出两项创新的PFC控制拓扑，可提升PFC控制器的效率。第一种拓扑是半无桥式PFC，可减少一半的桥式整流器耗损；第二种拓扑是交错式PFC，可减少高达50%的转换器I2R耗损。这两项技术均须使用两个升压功率级来提升效率，因此，设计人员经常要对这两种拓扑架构进行抉择。为了釐清这个问题，以下将分理论与实务两方面评估，让电源供应设计人员能根据系统需求选择最适用的拓扑。

　　半无桥式PFC效率/电感尺寸难兼得

　　图1为半无桥式PFC预整流器的电路拓扑图。此拓扑须搭配两个升压功率级（Boost1及Boost2）以实现PFC，升压电感直接连接到转换器的输入。此一拓扑也须採用全波整流器（DA、DB、DC及DD），使一般PFC升压电容（CBOOST）在最初的通电时间可达到最高电量。然而，在升压电容的电量达到最高，转换器启动运作之后，电源转换器在每一次二极体桥接器传导期间，只会有一个整流器二极体（DA或DB）处于工作状态，不像在全桥式拓扑中，一般会有两个二极体同时进行传导。这与以两个桥式整流器二极体进行传导的传统PFC升压相当不同。这项创新技术可免除一个整流器二极体所产生的传导损耗而提升效率，进而提升整体系统的效率。

　　

　　图1　半无桥式PFC预整流器与其电路拓扑

　　半无桥式PFC虽可提升系统的运作效率，但也有较传统PFC预整流器更复杂的缺陷，且设计人员必须使用更大的电感元件。如果深入探究传统PFC升压预整流器的电感区域乘积（WaAcT）及半无桥式PFC预整流器的整体电感乘积（WaAcS），即可看出这一点。

　　磁性设计人员透过以绕组（Winding）区域（Wa）及核心横截面区域（Ac）为基础的区域乘积计算来选取磁性核心。公式1～3计算半无桥式及传统PFC预整流器的电感区域总乘积，其中L是PFC升压电感，IP是峰值PFC输入电流，ILRMS是均方根（RMS）电流的PFC电感，变数CD表示所设计电感的电流密度，变数ΔB表示电感中磁通量密度（Flux Density）的变化，Ku表示磁性阶段绕组效率。

　　从这些区域乘积的等式中，可看出半无桥式PFC电感乘积的区域总乘积大约比传统PFC预整流器的区域乘积高出1.414倍。亦即半无桥式PFC的总磁量比使用单一升压功率级的传统PFC预整流器至少高出1.4倍。

　　

　　交错式PFC具备低EMI/小尺寸优势

　　交错式PFC预整流器则是将两个升压功率级交错。这项控制技术须使两个经过功率因素校正的升压功率级保持180度反相运作。此一拓扑具有多项优点，因此受到广泛运用，其中一项主要的优点是可以消除输入及输出电感链波电流。如果设计得宜，亦有助于降低整体升压电感及/或电磁波干扰（EMI）磁量。消除输出电感链波电流可减少升压电容均方根电流，使电容体积缩小25%以上。读者须特别注意，此处所指的电容体积缩小不是指升压电容体积可以缩小，因为升压电容一般是由延迟时间及输出功率所决定。图2为交错式PFC预整流器示意图。

　　

　　图2　交错式PFC预整流器与其电路拓扑

　　交错式PFC预整流器会将传导损耗分散于两个 PFC升压功率级（PCONDUCTION_INTERLEAVED）。相较于使用传统单一升压功率级PFC，设计人员可使用交错式PFC减少将近一半的传导损耗。如果深入探讨交错式PFC升压的简化传导耗损等式，以及传统单一升压功率级PFC预整流器的简化传导耗损等式（PCONDUCTION_TRADITIONAL），即可看出这一点（公式4～6）。

　　

　　将PFC预整流器交错可减少升压电感的总磁量，为了证实这一点，可深入探究交错式PFC预整流器内两个电感的总电感区域乘积（WaAcI），以及传统PFC预整流器升压电感的区域总乘积。从公式7与公式8可看出交错式的总区域乘积是传统PFC升压电感区域总乘积的一半。实际上，交错式PFC预整流器两个电感的总升压电感量会比传统PFC升压电感的电感量少32%。