一文詳解PFC、BCM、CCM模式電路

本文開始將介紹在實際應(yīng)用電路中二極管和晶體管的特性和性能不同會帶來什么樣的差異、使用上有什么區(qū)分。首先以PFC（功率因數(shù)改善）為例開始，有些電子設(shè)備是必須配備PFC的，所以此次先稍微介紹一下PFC。

什么是PFC

PFC（功率因數(shù)改善）是指改善功率因數(shù)，并使功率因數(shù)接近1。這是通過使功率因數(shù)角（相位角）接近0°，從而減小電壓與電流的相位差，使視在功率接近有功功率。同時抑制諧波電流。諧波抑制在國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-3-2中已經(jīng)分類限值并規(guī)定了最大容許諧波電流，相應(yīng)的電子設(shè)備基本上都配備PFC。

單級PFC與交錯式PFC

PFC的基本工作是使電感電流呈三角波狀，并控制電流使其平均值為正弦波，從而校正電壓和電流的相位差。下面是以單級和交錯式為例的PFC基本電路。

顧名思義，單級PFC由1組開關(guān)（晶體管）、二極管、電感構(gòu)成，而交錯式PFC由2組構(gòu)成，開關(guān)以180°相位差進(jìn)行驅(qū)動。所以，單級PFC的電感電流因ON/OFF而呈單一的三角波狀，而交錯式PFC則三角波重疊。其結(jié)果是紋波電流減小，有效頻率翻倍。右圖是每個電感的電流波形和交錯式PFC的電流波形示意圖。

交錯式使用2組開關(guān)，因此開關(guān)損耗分散，每個開關(guān)上的負(fù)載減輕，使熱設(shè)計更容易。另外，紋波電流更小，有效頻率更高，從而有助于減小濾波器尺寸。這與DC/DC轉(zhuǎn)換器的雙相驅(qū)動原理相同。

臨界模式（BCM）與連續(xù)模式（CCM）

PFC的控制一般采用兩種模式，一種是在電流為零的時間點進(jìn)行開關(guān)的電流臨界模式（BCM：Boundary Current Mode），一種是在電感連續(xù)流過電流的狀態(tài)下使用的電流連續(xù)模式（CCM：Continuous Current Mode）。

BCM是在二極管電流變?yōu)榱愕臅r間點開關(guān)導(dǎo)通，所以二極管中不會流過反向恢復(fù)電流。但是，電流從零到最大值變化較大，所以電感和二極管的峰值電流將增加。而CCM的特征是在二極管中有電流流動的狀態(tài)下開關(guān)導(dǎo)通并強(qiáng)制關(guān)斷二極管，所以會流過較大的反向恢復(fù)電流，并產(chǎn)生開關(guān)噪聲。但連續(xù)流動的電感電流幾乎為直流，紋波也很小。

方式不同，輸出功率也不同

上述單級方式和交錯方式、BCM控制和CCM控制的不同表現(xiàn)為輸出功率和峰值電流特性的不同。一般輸出功率較大的電路中多使用交錯式PFC及CCM控制。下圖為比較示例。

關(guān)鍵要點:

?PFC（功率因數(shù)改善）是指改善功率因數(shù)并使功率因數(shù)接近1。

?PFC的方式包括單級和交錯式，交錯式可分散損耗因而熱設(shè)計更容易。

?PFC的模式包括臨界模式（BCM）和連續(xù)模式（CCM），一般大功率電路中使用CCM。

臨界模式PFC : 利用二極管提高效率的例子

在實際的應(yīng)用電路中，二極管和晶體管因其特性和性能不同而需要區(qū)分使用。在電源類應(yīng)用中區(qū)分使用的主要目的是提高效率。本文將介紹PFC（功率因數(shù)改善）的一個例子，即利用二極管的特性差異來改善臨界模式（BCM）PFC的效率的例子。

臨界模式PFC：液晶電視電路示例

該電路是液晶電視的PFC單元，是單級PFC的臨界模式（BCM）控制方式示例。PFC電路的二極管D1使用的是快速恢復(fù)二極管（以下簡稱“FRD”）。

對該二極管使用正向電壓VF低的類型、和反向恢復(fù)時間trr快的類型時實施了損耗仿真。下面是所使用的兩種二極管的主要規(guī)格。除VF和trr外，其他規(guī)格基本同等。

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兩者的仿真結(jié)果如下。

中段波形表示二極管的功率損耗。上段波形表示線圈電流＝二極管的IF，下段波形表示輸出電壓＝對二極管施加的電壓。二極管的功率損耗如波形所示，低VF的RFNL10TJ6S的功率損耗很低。以平均值看，低VF、標(biāo)準(zhǔn)trr的RFNL10TJ6S為0.23W，高速trr、標(biāo)準(zhǔn)VF的RFV08TJ6S為0.41W。VF的不同會帶來1.25V對3V（IF=8A時）的不同結(jié)果。

從這個結(jié)果可以看出，在PFC臨界模式下，二極管VF的不同對損耗會產(chǎn)生很大影響，而trr的影響則較小。這是因為在臨界模式下，電流的流動是從零升至峰值，如果二極管的VF較大則相應(yīng)的傳導(dǎo)損耗也將增大。

對于臨界模式控制的PFC，盡量選擇VF小的二極管可改善電路效率。

關(guān)鍵要點:

臨界模式PFC的二極管VF對損耗影響較大，而trr對損耗的影響則較小。

對于臨界模式控制的PFC，選用VF小的二極管可改善電路效率。

電流連續(xù)模式PFC : 利用二極管提高效率的例子

繼上一篇臨界模式PFC的例子之后，本文將探討電流連續(xù)模式PFC的二極管特性差異帶來的效率差異。

利用二極管改善電流連續(xù)模式PFC電路效率示例

這是以前介紹PFC時用過的簡化的PFC電路示例。下面來探討一下在PFC輸出端的基本構(gòu)成–二極管和MOSFET的組合部分中，二極管的特性是怎樣影響效率的。二極管使用FRD（快速恢復(fù)二極管），給出了3種特性不同的二極管的效率測量結(jié)果。

右圖表示各FRD的電路效率與FRD的trr（反向恢復(fù)時間）的關(guān)系。如圖所示，在使用trr最低的FRD時效率最高。下表是各FRD的主要特性和效率測量值。

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電路條件：連續(xù)模式，Po=300W，fsw=200kHz，Vin=115Vrms，Vo=390V

RFNL10TJ6S和RFV08TJ6S是上一篇文章中的臨界模式PFC損耗仿真所用的FRD，RFNL10TJ6S是由于VF低而在臨界模式PFC中實現(xiàn)最高效率的FRD。相反，RFV08TJ6S由于VF比RFNL10TJ6S高而在臨界模式PFC中出現(xiàn)效率最低的結(jié)果。

然而，關(guān)于電流連續(xù)模式PFC的效率，VF的影響微乎其微，主要是受trr的影響。從波形圖即可看出trr慢導(dǎo)致效率下降的原因。

在FRD的波形中，F(xiàn)RD導(dǎo)通時流過5A左右的正向電流IF，然后關(guān)斷時流過18A左右的反向電流IR。這個IR是trr期間流動的電流，在連續(xù)模式PFC中，會對MOSFET的開關(guān)產(chǎn)生影響。如波形所示，在MOSFET導(dǎo)通時流過尖峰狀大電流，這會成為損耗，導(dǎo)致電路整體的效率下降。

結(jié)論是，在電流連續(xù)模式PFC中，二極管的trr越快效率越高?；旧喜皇躒F影響。

關(guān)鍵要點:

在電流連續(xù)模式（CCM）PFC中，二極管的trr對損耗影響很大，而VF的影響很小。

在電流連續(xù)模式控制的PFC中，選擇trr值小的二極管可改善電路效率。

審核編輯：黃飛

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