Toshiba MOSFET和Diode应用于交错式PFC设计

随着工业发展及仪器设备的精密化，对于各种电子设备或仪器的电源供应质量需求提高；另外，能源的逐渐匮乏，使得能源使用效率格外受到重视。对于任何与电源有关的应用，能效一直是个问题，为了提升能效，一个关键的解决方法是提高电源的功率因数PFC。电力公司的供电在理想情况下，交流电源的电压和电流波形是完全正弦且同相位。然而，当交流电源连接到系统时，其电压和电流波形可能会有相移或变成非正弦。线路中电流的波形和相位取决于所供电的负载，对于最简单的电阻负载，负载电流也是正弦的，并且功率易于计算。如果是负载中有电抗组件，如电感或电容，则负载电流保持正弦，但相移与电压有关。在这种情况下，有功功率要乘以相角(位移因子)的余弦。无功负载越多，有功功率越低。功率因数的意思，主要用来表征电子产品对电能的利用效率。功率因数越高，说明电能的利用效率越高。

功率因数=有功功率÷视在功率

有功功率是负载消耗的实际功率，视在功率是输入电压和电流rms值的乘积。功率因数取0到1之间的值，功率因数1表示理想情况，视在功率等于有功功率。功率因数为0表示视在功率等于无功功率。

一般电源采用传统的桥式整流、电容滤波电路会使AC输入电流产生严重的波形畸变，向电网注入大量的高次谐波，因此功率因数不高，仅有0.6左右，并对电网和其它电气设备造成严重谐波污染与干扰。在80年代初，人们已对这类装置产生的高次谐波电流所造成的危害引起了关注。1982年，国际电工委员会制订了IEC55－2限制高次谐波的规范（后来的修订规范是IEC1000－3－2），促使众多的电力电子技术工作者开始了对谐波滤波和功率因数校正（PFC）技术的研究。电子电源产品中引入PFC电路，就可以大大提高对电能的利用效率。

       在一些对外形尺寸有严格要求的应用中，如纤薄型液晶电视或笔记本适配器等，一种新兴的功率因数校正(PFC)技术-交错式PFC的使用越来越多。所谓交错式PFC，是在原本单个较大功率PFC段的地方并行放置2个功率为其一半的较小功率PFC段来替代， 这两个功率较小的PFC段以180°的相移交替工作，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使总输入电流和输出电流纹波都将大幅降低。还有助于降低整体升压电感及/或电磁波干扰（EMI）磁量。消除输出电感纹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。


  电路设计  

交错PFC电源的规格如下：

・ 输入电压：90至264 Vrms

・ 输出电压：400V

・ 输出电流：0至3.0 A

・ 工作频率：50 kHz

・ 允许峰间纹波电流：峰值输入电流的50%

・ 电感设置：180μH

 
下图为交错式PFC电源模拟电路，工作于连续电流模式（CCM），主要由三部分组成：上面为主电源电路部分，下面为PFC控制器，右侧为参数部分。模拟电路PFC采用通用控制器，带有MOSFET栅极驱动，MOSFET和二极管采用东芝TK20N60W和TRS6E65F

选择MOSFET和二极管时，应考虑以下因素：

1.耐电压 : 在稳定状态下，MOSFET和二极管会承受与输出电压相同400V的电压。因此，MOSFET和二极管的耐压选用600V以上。

 
假设PFC电源在最大输出功率为1200W时，具有94%的转换效率和功率校正因数为1。然后，可以推算出在输入电压最小值 90Vrms的时候，最大输入电流值约为14.1Arms

MOSFET: TK20N60W (VDS=600V / ID=20A / RDS(ON)=155mΩ(Max)
TK20N60W

Diode: TRS6E65F (650V/6A)
TRS6E65F

如何选择电感:

可根据以下电源参数计算：

最大输出功率 : Pout (W)

最小交流输入电压 : Vin_min (Vrms)

PFC功率转换效率：η (%)

PFC输出电压：Vout (V)

开关频率：Fc (Hz)

峰到峰纹波电流：ΔIripple (%)

电感可按以下公式计算：

最大输出功率（Pout）为1200W，最小交流输入电压（Vin_min）为90V，PFC输出电压400V，开关频率（Fc）50kHz。
假设功率因数校正功率转换效率(η) 是94%。可推算出电感（L）为173μH。因此，在模拟电路中，电感设置180μH。

交错式功率因数校正电源的总纹波电流小于在每个相位中流过电感的纹波电流
因此，交错式PFC电源可以使用较小的电感值来实现与单相PFC电源相同的纹波电流。

下面显示了波形模拟结果