lt;b>IR供文</b>
国际整流器公司交流转直流应用部门的Ron Brown与Marco Soldano，利用周期控制技术(one-cycle control)来实现更高效率的无桥式功率因素修正器的设计。
最近，无桥式升压型功率因素修正器线路，获得了很多关注的焦点。借助移除传统转换器其输入级的桥式整流器，切换损失可以降低，而使设计者设计出更高的效率。尤有甚者，无桥式的方法可以避免因导通损，而降低效率，这种现象特别是出现在低的输入电压，其根本的原因是二极管整流器的顺向导通压降。最后，无桥式设计具有先天上更简单，需要更少器件的优点。
<b>实现无桥式功率因素修正器的设计</b>
实现无桥式功率因素修正器线路，其实是具有一些挑战性。如图1所示，整个线路并无输入级的二极管桥式整流器，取代的是交流侧的升压电感。因此，线路的输出端与输入端并无直接的接触。这会导致一些问题，比如说输入电压的侦测，电流侦测与EMI干扰。特别是处在交流侧的升压电感，使得侦测输入电压与电感电流更加困难。
在检视这些挑战之前，最好来了解图1中，无桥式整流器的工作原理。处在交流端的升压器电感被分开来以获得升压器的结构。输出端的线路由二个MOSFET与二个二极管来组成。在每一次输入电压的半周期内，其中之一的MOSFET操作成主动开关器件，而另一个则操作成单纯的二极管。主动器件的MOSFET、其中之一的二极管与输入侧的电感形成升压级的直流/直流转换器。输入电流由升压转换器所控制，并追随输入电压。
因为这个架构所导致的电压与电流侦测问题，则依据设计者所采用的控制策略而有所不同。对传统的升压型功率因素修正线路而言，多种不同的控制方法已被发展出。最常见的是依据模拟乘法技术的平均电流控制模式与峰值电流控制模式。最近很多设计者开始来检视包含one-cycle control(OCC)的其它控制技术。
其中以平均电流模式模拟乘法控制是最受欢迎的，因为它提供了高的率能，而且易于了解。控制器混合了输入电压信号与回路输出电压来产生电流控制信号，而电流回路则驱使电感平均电流来追随这个电流控制命令(参考图2)。
这种结构需要某种的输入电压侦测。图3所示，是利用1个简单的电压分压器，并将其放在桥式整流器的输出来直接侦测整流过后的输入电压。然而在无桥式整流器中并没有这样的位置来摆设这个分压器以侦测输入电压。可能的做法是利用输入端的变压器来侦测并传递输入电压，然而一般而言，笨重的体积与价格使这种有效的设计变得无法接受。
图4所示，是另一种解决方案，使用光学耦合器来提供一个隔离的解决方案。然而这个方法有其缺点，特别是为了降低失真，需要具有宽的操作范围与高线性度的器件。这个与之前设计者熟悉的电压分压器比较而言是个昂贵而复杂的方法。
<b>one-cycle control (occ)</b>
以上这些复杂的因素使得OCC在采用无桥式结构时更有吸引力。OCC使用了输出电压与电感峰值电流来计算每个随后的切换周期所应具有的责任周期。因为如此，OCC方法就不需要侦测交流端的输入电压（所有需要用来控制电流波形与极佳化功率因素的信息，由直流输出电压与返回电流所萃取出）。特别是责任周期控制了升压器线路输入端与输出端的关系，电感的峰值电流会自动追随输入电压的波形，实现功率因素修正功能。因为所有的必需信息可由电感峰值电流与输出电压得知，故不需要侦测输入电压。
侦测输入电压，传统的功率因素修正器的电感电流侦测是相当简单。可以在电感电流回流的路径上摆设侦测电阻来实现，而且没有隔离的必要。但如同无桥式结构使侦测电压更困难一样，它们也复杂了电流侦测；电感的回流路径并未与输出电压共地，因此隔离的侦测是必需的。如同侦测电压一般，1个60赫兹的电流变压器可以提供1个直接的解法，但它会同时在电流信号上导入1个无法忽略的相位延迟，而降低功率因素。电感电流可以由切换开关与二极管电流所重建，但这总共需要3个电流变压器。如同电压侦测一般，这些复杂度使OCC成为无桥式结构中吸引人的控制方法。
EMI干扰基本上与电力级的结构有关。对传统功率因素修正器而言，输出端的接地一直透过桥式整流器与输入端共地。会导致共模干扰的惟一寄生电容介于MOSFET汲极与地面之间。无桥式的功率因素修正线路的输出相对于交流输入端是浮接的，因此有多个寄生电容在MOSFET汲极与地面之间会导致共模噪音。这些电容如图5所示。共模噪音因此会比传统的功率因素修正线路来的更严重。要解决这个问题，可以加入2个电容来制造出介于交流输入端与输出电压接地间的高频通道。
<b>比较OCC方法</b>
基于以上的分析，似乎无桥式功率因素修正线路可以同时简化线路结构与提高效率，而同时也需要使用OCC控制策略。IR使用1个500瓦功率，100K赫兹切换频率与通用的输入电压的无桥式功率因素修正器来比较OCC控制策略的效能。这个线路使用国际整流公司的IR1150S的整合型OCC控制器，这是1个具有完善保护功能的器件，它的特色包含了可程序化的切换频率，过电压保护，缓起动，周期/周期间的峰值电流限制与烧毁保护。
处于8 PIN SOIC的封装内，IR1150提供了OCC的控制与不占空间的优点。在这个原型中，IR使用了600伏、22安培MOSFET与600伏、4安培的碳化硅二极管。为了比较之便，我们利用相同的器件组成传统的升压型功率因素修正器。无桥式线路中的输入电压与电流波形通过量测，可知电流与电压之间的追随情形非常良好，这代表OCC控制成功地实现了功率因素修正功能。
这2个线路的另一个重要的比较是效率。无桥式PFC使用1个MOSFET的寄生二极管来取代传统线路中2个慢速二极管。效率的提升主要着因于传统线路中的2个慢速二极管与无桥式中的寄生二极管的导通损失的差异。理论上的计算，预计后者在全功率时，有约1%的效率改善。
实际的效率比较显示出与理论的相当一致性。在90伏输入电压与全功率时，效率约增加1%(参考图6)。如同所期望，在低功率时，效率的增加远高于1%(低于200瓦时)。这2个线路显示了类似的功率因素修正特性，分别在全功率与不同的输入电压时，而在低频时EMI效能大致上是类似的。无桥式线路在高频时，有稍微高的噪音表现，然而这个噪音是处于可控制范围内。
<b>结 语</b>
为了更高效率的考虑，设计者看来会继续选择无桥式架构。然而，移除输入整流器导通损与简化线路设计是需要代价的。输入电压与电流侦测在无桥式线路中，基本上比传统线路要来的复杂，而且因为无桥式输出的浮接特性，无桥式有较高EMI问题。
使用OCC控制策略，使工程师可以获得无桥式设计所带来的线路简洁以及效率上的优点，而不必以变压器或光学耦合器来实现复杂的电流与电压侦测线路。它不需输入端的侦测，而且可以操作在峰值电流模式，这些提供了简单，而高效能的解决方案。同时EMI问题可通过修正过的无桥式线路来克服。
实验结果显示，由OCC控制所提供的简洁线路与高的功率因素可以使无桥式功率修正线路比起传统线路，提供预期的1%效率的提升。
国际整流器公司交流转直流应用部门的Ron Brown与Marco Soldano，利用周期控制技术(one-cycle control)来实现更高效率的无桥式功率因素修正器的设计。
最近，无桥式升压型功率因素修正器线路，获得了很多关注的焦点。借助移除传统转换器其输入级的桥式整流器，切换损失可以降低，而使设计者设计出更高的效率。尤有甚者，无桥式的方法可以避免因导通损，而降低效率，这种现象特别是出现在低的输入电压，其根本的原因是二极管整流器的顺向导通压降。最后，无桥式设计具有先天上更简单，需要更少器件的优点。
<b>实现无桥式功率因素修正器的设计</b>
实现无桥式功率因素修正器线路，其实是具有一些挑战性。如图1所示，整个线路并无输入级的二极管桥式整流器，取代的是交流侧的升压电感。因此，线路的输出端与输入端并无直接的接触。这会导致一些问题，比如说输入电压的侦测，电流侦测与EMI干扰。特别是处在交流侧的升压电感，使得侦测输入电压与电感电流更加困难。
在检视这些挑战之前，最好来了解图1中，无桥式整流器的工作原理。处在交流端的升压器电感被分开来以获得升压器的结构。输出端的线路由二个MOSFET与二个二极管来组成。在每一次输入电压的半周期内，其中之一的MOSFET操作成主动开关器件，而另一个则操作成单纯的二极管。主动器件的MOSFET、其中之一的二极管与输入侧的电感形成升压级的直流/直流转换器。输入电流由升压转换器所控制，并追随输入电压。
因为这个架构所导致的电压与电流侦测问题，则依据设计者所采用的控制策略而有所不同。对传统的升压型功率因素修正线路而言，多种不同的控制方法已被发展出。最常见的是依据模拟乘法技术的平均电流控制模式与峰值电流控制模式。最近很多设计者开始来检视包含one-cycle control(OCC)的其它控制技术。
其中以平均电流模式模拟乘法控制是最受欢迎的，因为它提供了高的率能，而且易于了解。控制器混合了输入电压信号与回路输出电压来产生电流控制信号，而电流回路则驱使电感平均电流来追随这个电流控制命令(参考图2)。
这种结构需要某种的输入电压侦测。图3所示，是利用1个简单的电压分压器，并将其放在桥式整流器的输出来直接侦测整流过后的输入电压。然而在无桥式整流器中并没有这样的位置来摆设这个分压器以侦测输入电压。可能的做法是利用输入端的变压器来侦测并传递输入电压，然而一般而言，笨重的体积与价格使这种有效的设计变得无法接受。
图4所示，是另一种解决方案，使用光学耦合器来提供一个隔离的解决方案。然而这个方法有其缺点，特别是为了降低失真，需要具有宽的操作范围与高线性度的器件。这个与之前设计者熟悉的电压分压器比较而言是个昂贵而复杂的方法。
<b>one-cycle control (occ)</b>
以上这些复杂的因素使得OCC在采用无桥式结构时更有吸引力。OCC使用了输出电压与电感峰值电流来计算每个随后的切换周期所应具有的责任周期。因为如此，OCC方法就不需要侦测交流端的输入电压（所有需要用来控制电流波形与极佳化功率因素的信息，由直流输出电压与返回电流所萃取出）。特别是责任周期控制了升压器线路输入端与输出端的关系，电感的峰值电流会自动追随输入电压的波形，实现功率因素修正功能。因为所有的必需信息可由电感峰值电流与输出电压得知，故不需要侦测输入电压。
侦测输入电压，传统的功率因素修正器的电感电流侦测是相当简单。可以在电感电流回流的路径上摆设侦测电阻来实现，而且没有隔离的必要。但如同无桥式结构使侦测电压更困难一样，它们也复杂了电流侦测；电感的回流路径并未与输出电压共地，因此隔离的侦测是必需的。如同侦测电压一般，1个60赫兹的电流变压器可以提供1个直接的解法，但它会同时在电流信号上导入1个无法忽略的相位延迟，而降低功率因素。电感电流可以由切换开关与二极管电流所重建，但这总共需要3个电流变压器。如同电压侦测一般，这些复杂度使OCC成为无桥式结构中吸引人的控制方法。
EMI干扰基本上与电力级的结构有关。对传统功率因素修正器而言，输出端的接地一直透过桥式整流器与输入端共地。会导致共模干扰的惟一寄生电容介于MOSFET汲极与地面之间。无桥式的功率因素修正线路的输出相对于交流输入端是浮接的，因此有多个寄生电容在MOSFET汲极与地面之间会导致共模噪音。这些电容如图5所示。共模噪音因此会比传统的功率因素修正线路来的更严重。要解决这个问题，可以加入2个电容来制造出介于交流输入端与输出电压接地间的高频通道。
<b>比较OCC方法</b>
基于以上的分析，似乎无桥式功率因素修正线路可以同时简化线路结构与提高效率，而同时也需要使用OCC控制策略。IR使用1个500瓦功率，100K赫兹切换频率与通用的输入电压的无桥式功率因素修正器来比较OCC控制策略的效能。这个线路使用国际整流公司的IR1150S的整合型OCC控制器，这是1个具有完善保护功能的器件，它的特色包含了可程序化的切换频率，过电压保护，缓起动，周期/周期间的峰值电流限制与烧毁保护。
处于8 PIN SOIC的封装内，IR1150提供了OCC的控制与不占空间的优点。在这个原型中，IR使用了600伏、22安培MOSFET与600伏、4安培的碳化硅二极管。为了比较之便，我们利用相同的器件组成传统的升压型功率因素修正器。无桥式线路中的输入电压与电流波形通过量测，可知电流与电压之间的追随情形非常良好，这代表OCC控制成功地实现了功率因素修正功能。
这2个线路的另一个重要的比较是效率。无桥式PFC使用1个MOSFET的寄生二极管来取代传统线路中2个慢速二极管。效率的提升主要着因于传统线路中的2个慢速二极管与无桥式中的寄生二极管的导通损失的差异。理论上的计算，预计后者在全功率时，有约1%的效率改善。
实际的效率比较显示出与理论的相当一致性。在90伏输入电压与全功率时，效率约增加1%(参考图6)。如同所期望，在低功率时，效率的增加远高于1%(低于200瓦时)。这2个线路显示了类似的功率因素修正特性，分别在全功率与不同的输入电压时，而在低频时EMI效能大致上是类似的。无桥式线路在高频时，有稍微高的噪音表现，然而这个噪音是处于可控制范围内。
<b>结 语</b>
为了更高效率的考虑，设计者看来会继续选择无桥式架构。然而，移除输入整流器导通损与简化线路设计是需要代价的。输入电压与电流侦测在无桥式线路中，基本上比传统线路要来的复杂，而且因为无桥式输出的浮接特性，无桥式有较高EMI问题。
使用OCC控制策略，使工程师可以获得无桥式设计所带来的线路简洁以及效率上的优点，而不必以变压器或光学耦合器来实现复杂的电流与电压侦测线路。它不需输入端的侦测，而且可以操作在峰值电流模式，这些提供了简单，而高效能的解决方案。同时EMI问题可通过修正过的无桥式线路来克服。
实验结果显示，由OCC控制所提供的简洁线路与高的功率因素可以使无桥式功率修正线路比起传统线路，提供预期的1%效率的提升。
