一文详解PFC(功率因数改善)及BCM与CCM模式电路示例
本文开始将介绍在实际应用电路中二极管和晶体管的特性和性能不同会带来什么样的差异、使用上有什么区分。首先以PFC（功率因数改善）为例开始，有些电子设备是必须配备PFC的，所以此次先稍微介绍一下PFC。
什么是PFC
PFC（功率因数改善）是指改善功率因数，并使功率因数接近1。这是通过使功率因数角（相位角）接近0°，从而减小电压与电流的相位差，使视在功率接近有功功率。同时抑制谐波电流。谐波抑制在国际标准IEC61000-3-2中已经分类限值并规定了最大容许谐波电流，相应的电子设备基本上都配备PFC。
单级PFC与交错式PFC
PFC的基本工作是使电感电流呈三角波状，并控制电流使其平均值为正弦波，从而校正电压和电流的相位差。下面是以单级和交错式为例的PFC基本电路。
顾名思义，单级PFC由1组开关（晶体管）、二极管、电感构成，而交错式PFC由2组构成，开关以180°相位差进行驱动。所以，单级PFC的电感电流因ON/OFF而呈单一的三角波状，而交错式PFC则三角波重叠。其结果是纹波电流减小，有效频率翻倍。右图是每个电感的电流波形和交错式PFC的电流波形示意图。
交错式使用2组开关，因此开关损耗分散，每个开关上的负载减轻，使热设计更容易。另外，纹波电流更小，有效频率更高，从而有助于减小滤波器尺寸。这与DC/DC转换器的双相驱动原理相同。
临界模式（BCM）与连续模式（CCM）
PFC的控制一般采用两种模式，一种是在电流为零的时间点进行开关的电流临界模式（BCM：Boundary Current Mode），一种是在电感连续流过电流的状态下使用的电流连续模式（CCM：Continuous Current Mode）。
BCM是在二极管电流变为零的时间点开关导通，所以二极管中不会流过反向恢复电流。但是，电流从零到最大值变化较大，所以电感和二极管的峰值电流将增加。而CCM的特征是在二极管中有电流流动的状态下开关导通并强制关断二极管，所以会流过较大的反向恢复电流，并产生开关噪声。但连续流动的电感电流几乎为直流，纹波也很小。
方式不同，输出功率也不同
上述单级方式和交错方式、BCM控制和CCM控制的不同表现为输出功率和峰值电流特性的不同。一般输出功率较大的电路中多使用交错式PFC及CCM控制。下图为比较示例。
关键要点:
・PFC（功率因数改善）是指改善功率因数并使功率因数接近1。
・PFC的方式包括单级和交错式，交错式可分散损耗因而热设计更容易。
・PFC的模式包括临界模式（BCM）和连续模式（CCM），一般大功率电路中使用CCM。
临界模式PFC : 利用二极管提高效率的例子
在实际的应用电路中，二极管和晶体管因其特性和性能不同而需要区分使用。在 电源 类应用中区分使用的主要目的是提高效率。本文将介绍PFC（功率因数改善）的一个例子，即利用二极管的特性差异来改善临界模式（BCM）PFC的效率的例子。关于PFC，请参考上一篇文章的介绍。
临界模式PFC：液晶电视电路示例
该电路是液晶电视的PFC单元，是单级PFC的临界模式（BCM）控制方式示例。PFC电路的二极管D1使用的是快速恢复二极管（以下简称“FRD”）。
对该二极管使用正向电压VF低的类型、和反向恢复时间trr快的类型时实施了损耗仿真。下面是所使用的两种二极管的主要规格。除VF和trr外，其他规格基本同等。
| VRM | 600 | 600 | V |
|---|---|---|---|
| IF | 10 | 8 | A |
| VF | 1.25@IF=8A | 3@IF=8A | Vmax |
| IR | 10 | 10 | µA |
| trr | 65 | 20 | ns max |
| RFNL10TJ6S低 VF | RFV8TJ6S高速 trr | 単位 |
两者的仿真结果如下。
中段波形表示二极管的功率损耗。上段波形表示线圈电流＝二极管的IF，下段波形表示输出电压＝对二极管施加的电压。二极管的功率损耗如波形所示，低VF的RFNL10TJ6S的功率损耗很低。以平均值看，低VF、标准trr的RFNL10TJ6S为0.23W，高速trr、标准VF的RFV08TJ6S为0.41W。VF的不同会带来1.25V对3V（IF=8A时）的不同结果。
从这个结果可以看出，在PFC临界模式下，二极管VF的不同对损耗会产生很大影响，而trr的影响则较小。这是因为在临界模式下，电流的流动是从零升至峰值，如果二极管的VF较大则相应的传导损耗也将增大。
对于临界模式控制的PFC，尽量选择VF小的二极管可改善电路效率。
关键要点:
-
临界模式PFC的二极管VF对损耗影响较大，而trr对损耗的影响则较小。
-
对于临界模式控制的PFC，选用VF小的二极管可改善电路效率。
电流连续模式PFC : 利用二极管提高效率的例子
继上一篇临界模式PFC的例子之后，本文将探讨电流连续模式PFC的二极管特性差异带来的效率差异。
利用二极管改善电流连续模式PFC电路效率示例
这是以前介绍PFC时用过的简化的PFC电路示例。下面来探讨一下在PFC输出端的基本构成–二极管和MOSFET的组合部分中，二极管的特性是怎样影响效率的。二极管使用FRD（快速恢复二极管），给出了3种特性不同的二极管的效率测量结果。
右图表示各FRD的电路效率与FRD的trr（反向恢复时间）的关系。如图所示，在使用trr最低的FRD时效率最高。下表是各FRD的主要特性和效率测量值。
| RFNL10TJ6S | 10 | 1.1 | 100 (dIF/dt=-100A) | 89.10 |
|---|---|---|---|---|
| RFV8TG6S | 8 | 2.3 | 25 (dIF/dt=-200A) | 93.59 |
| RFVS8TG6S | 8 | 2.5 | 20 (dIF/dt=-200A) | 93.87 |
| FRD | IF (A) |
VF (V) Typ. @IF max |
trr (ns) Typ. @IF max, VR=400V |
效率 (%) |
电路条件：连续模式，Po=300W，fsw=200kHz，Vin=115Vrms，Vo=390V
RFNL10TJ6S和RFV08TJ6S是上一篇文章中的临界模式PFC损耗仿真所用的FRD，RFNL10TJ6S是由于VF低而在临界模式PFC中实现最高效率的FRD。相反，RFV08TJ6S由于VF比RFNL10TJ6S高而在临界模式PFC中出现效率最低的结果。
然而，关于电流连续模式PFC的效率，VF的影响微乎其微，主要是受trr的影响。从波形图即可看出trr慢导致效率下降的原因。
在FRD的波形中，FRD导通时流过5A左右的正向电流IF，然后关断时流过18A左右的反向电流IR。这个IR是trr期间流动的电流，在连续模式PFC中，会对MOSFET的开关产生影响。如波形所示，在MOSFET导通时流过尖峰状大电流，这会成为损耗，导致电路整体的效率下降。
结论是，在电流连续模式PFC中，二极管的trr越快效率越高。基本上不受VF影响。
关键要点:
-
在电流连续模式（CCM）PFC中，二极管的trr对损耗影响很大，而VF的影响很小。
-
在电流连续模式控制的PFC中，选择trr值小的二极管可改善电路效率。
审核编辑：汤梓红
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