【導讀】電(dian)子(zi)設(she)備(bei)越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)地(di)接(jie)入(ru)電(dian)網(wang)，這(zhe)增(zeng)加(jia)了(le)電(dian)網(wang)的(de)失(shi)真(zhen)幾(ji)率(lv)，也(ye)使(shi)配(pei)電(dian)網(wang)絡(luo)容(rong)易(yi)產(chan)生(sheng)問(wen)題(ti)。為(wei)緩(huan)解(jie)這(zhe)些(xie)問(wen)題(ti)


，電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)需(xu)要(yao)先(xian)進(jin)的(de)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)校(xiao)正(zheng) (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）應ying用yong於yu功gong率lv開kai關guan，可ke以yi使shi之zhi前qian受shou製zhi於yu矽gui的de熱re特te性xing與yu電dian特te性xing而er無wu法fa實shi現xian的de設she計ji變bian得de可ke行xing。其qi中zhong之zhi一yi即ji為wei無wu橋qiao圖tu騰teng柱zhu拓tuo撲pu，該gai拓tuo撲pu集ji成cheng了le整zheng流liu和he升sheng壓ya級ji，並bing提ti供gong兩liang個ge以yi不bu同tong頻pin率lv工gong作zuo的de開kai關guan支zhi路lu（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。

yujiaocuoshishengyabianhuanqixiangbi，zhezhongtuoputongchangnenggaishanxingneng。danewaideyouyuankaiguanshikongzhidianlubiandegengjiafuza
，zhegewentitongchangkeyicaiyongjichengshitutengzhukongzhiqidedaohuanjie。

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。gaiewaifenzhikejiangdibianhuanqideshuchudianyawenbo，bingjiangbianhuanqidegonglvyaoqiupingjunfenpeidaosuoyoufenzhi，congerzuidaxiandudijianxiaobujuchicun，jiangdizongchengben。

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。

通(tong)過(guo)拓(tuo)撲(pu)比(bi)較(jiao)可(ke)以(yi)得(de)出(chu)每(mei)種(zhong)拓(tuo)撲(pu)的(de)常(chang)見(jian)特(te)性(xing)。然(ran)而(er)，這(zhe)些(xie)設(she)計(ji)的(de)性(xing)能(neng)在(zai)很(hen)大(da)程(cheng)度(du)上(shang)取(qu)決(jue)於(yu)所(suo)選(xuan)擇(ze)的(de)器(qi)件(jian)及(ji)其(qi)操(cao)作(zuo)參(can)數(shu)。因(yin)此(ci)
，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)必(bi)須(xu)認(ren)真(zhen)思(si)考(kao)

，合(he)理(li)選(xuan)擇(ze)設(she)計(ji)，並(bing)針(zhen)對(dui)應(ying)用(yong)審(shen)慎(shen)優(you)化(hua)。為(wei)闡(chan)明(ming)這(zhe)一(yi)點(dian)，我(wo)們(men)對(dui)僅(jin)考(kao)慮(lv)器(qi)件(jian)損(sun)耗(hao)的(de)功(gong)率(lv)損(sun)耗(hao)進(jin)行(xing)分(fen)析(xi)

，類(lei)似(si)器(qi)件(jian)可(ke)以(yi)用(yong)於(yu)所(suo)有(you)拓(tuo)撲(pu)。

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PFCbubaohanzhengliuqiao，yincijianshaolekaiguanqijiandeshuliang。shengyabianhuanqizhongdeerjiguanqiaoshizhongdaotong，yincidaotongsunhaoshiyingxianggaituopuxiaolvdeguanjianyinsu。digonglvshi，bianhuanqizhongdedianliuxiangduijiaoxiao，yincidabufengonghaozaikaiguancaozuoqijianchansheng。zheyeshishengyahetutengzhu 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 huogenggaogonglvdeyingyong，jishishitutengzhubianhuanqiyekeshouyiyujiaocuoshilianjie。jiaocuoshilianjiejiangdianliufenpeidaolianggezhilushang，congershimeigezhiludediangandoujianban，zhefangkuanledianyuankaiguanyaoqiu，tongshiyejiangdileshurudianliuwenbo。

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。

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