利用寬能隙半導體和數位控制，設計更有效的功率因數校正

許多以 AC 主電源供電的設備，包括 AC/DC 電源供應器、電池充電器、電池型儲能系統、馬達驅動器及不斷電系統，都必須藉助功率因數校正 (PFC) 才能達到最高的效率。此技術的重要性在於，目前有些規範針對特定電子設備類型，制定了最小功率因數 (PF) 等級。

設計的尺寸不斷縮小，設計人員不斷面臨需要在其中提升整體效能的壓力，為了在這種情況下符合上述規範，他們正轉向主動 PFC 設計，並利用數位控制技術及寬能隙半導體，例如碳化矽 (SiC) 和氮化鎵 (GaN)。

本文將探討 PF 的概念與定義，包括 IEEE 和 IEC 及相關標準之間的不同定義。接著將介紹 STMicroelectronics、Transphorm、Microchip Technology 和 Infineon Technologies 等廠商提供的 PFC 解決方案，設計人員能從中透過寬能隙半導體和數位控制來實作 PFC，包括使用評估板。

功率因數校正是什麼？為什麼需要此技術？

PF 是一種測量系統內無功功率位準的單位。無功功率並非真功率，而是代表彼此異相的電壓和電流影響 (圖 1)。這兩者雖然因為異相而無法為工作做出有效貢獻，但依然會成為 AC 主電源線的負載。系統內的無功功率量是測量能源傳輸效率低下程度的指標。主動 PFC 技術利用電力電子，改變負載所汲取之電流波形的相位及／或形狀，藉此改善 PF。使用 PFC 能提高整體系統效率。

圖 1：PF 定義為 θ 的餘弦，並代表負載吸收之實際功率與電路內流動之視在功率的比率。兩者間的差異源自於無功功率。當無功功率趨近於零時，負載會呈現更高的純電阻性，視在功率和實功率變得相等，而 PF 會變成 1.0。(圖片來源：Wikipedia)

線性或非線性負載中可能會出現不良的 PF。非線性負載會使電壓波形或電流波形失真，或兩者皆失真。當涉及非線性負載時，則稱為失真 PF。

線性負載不會使輸入波形的形狀失真，但可能會因為其電感值及／或電容量，而改變電壓和電流間的相對定時 (相位) (圖 2)。當電路中主要包含電阻性負載 (例如白熾燈和加熱元件) 時，PF 趨近於 1.0，但當電路中包含電感式或電容性負載 (例如切換式電力轉換器、電動馬達、電磁閥、變壓器和燈安定器) 時，PF 可能遠低於 1.0。

圖 2：依據 AC 電壓和電流計算出的瞬時及平均功率，線性負載中的滯後 PF (亦即電流滯後於電壓) 為 0.71。(圖片來源：CUI, Inc.)

電子負載大多屬於非線性。非線性負載的範例包括切換式電力轉換器和電弧放電元件，例如日光燈、電焊機或電弧爐。由於這些系統內的電流受切換動作而中斷，因此電流中的頻率分量是電力系統頻率的倍數。失真 PF 是用來測量負載電流的諧波失真，導致傳輸到負載的平均功率下降的程度。

圖 3：正弦電壓 (黃色) 和非正弦電流 (藍色) 針對此電腦電源供應器，所賦予的失真 PF 為 0.75，此供應器為非線性負載。(圖片來源：Wikipedia)

滯後和超前功率因數的差別

滯後 PF 表示電流落在電壓之後，超前 PF 表示電流在電壓之前。對於電感式負載 (例如電感式馬達、線圈和某些燈)，電流滯後於電壓，進而產生滯後 PF。對於電容式負載 (例如同步調相機、電容組和電子電力轉換器)，電流超前於電壓，進而產生超前 PF。

滯後或超前差異不等於某個正數或負數。PF 值前面的正負號是由採用的標準所決定，即 IEEE 或 IEC。

PF 以及 IEEE 與 IEC 比較

圖 4 中的示意圖顯示 IEEE 和 IEC 標準中功率 kW、無功伏安 (var) 功率、功率因數，以及電感式或電容式負載之間的關係。每個組織採用不同的指標對 PF 進行分類。

圖 4：根據 IEC (左)，功率因數符號完全取決於真實功率流向，與電感式或電容式等負載性質無關。根據 IEEE (右)，功率因數符號完全取決於負載的性質 (電容式或電感式)。在此情況下，則與真實功率流向無關。(圖片來源：Schneider Electric)

根據 IEC (圖 4 左側)，PF 符號完全取決於真實功率流向，與電感式或電容式等負載性質無關。根據 IEEE (圖 4 的右側)，PF 符號完全取決於負載的性質 (電容式或電感式)。在此情況下，則與真實功率流向無關。如果是電感式負載，PF 是負數。如果是電容式負載，PF 是正數。

PF 標準

EU 等監管機關已制定諧波限制，藉此改善 PF。為了遵循目前的 EU 標準 EN61000-3-2 (以 IEC 61000-3-2 為基礎)，所有輸出功率超過 75 W 的切換式電源供應器皆必須包含 PFC 技術。EnergyStar 的 80 PLUS 電源供應器認證要求額定輸出功率為 100% 時，PF 需為 0.9 或以上，並要求採用主動 PFC。撰寫《電磁相容性 (EMC) - 第 3-2 篇：極限 - 諧波電流輻射的限制 (設備輸入電流每相位 ≤16 A)》一文時的最新版 IEC 標準是 IEC 61000-3-2:2018。

未校正的切換式電力轉換器不符合目前的 PFC 標準。所採用的 AC 輸入類型是單相還是三相，均會對 PF 產生影響，因此這項因素必須納入考量。未校正的單相切換式電源供應器，PF 通常大約為 0.65 至 0.75 (使用前述 IEEE 的 PF 符號慣例)。這是因為多數裝置都採用整流器／電容前端來產生 DC 匯流排電壓。此配置只在每個線週期的峰值處汲取電流，產生出會導致不良 PF 的高窄電流脈衝 (見上方圖 3)。

未校正的三相切換式電力轉換器具有更高的 PF，往往接近 0.85 (也使用 IEEE 的 PF 符號慣例)。這是因為即使利用整流器／電容產生 DC 匯流排電壓，還有三相能額外改善整體 PF。但是，如果未採用主動 PF 校正電路，單相或三相切換式電力轉換器都無法符合目前的 PF 規範。

利用 WBG 半導體和數位控制來設計主動 PFC

利用數位控制技術和寬能隙功率半導體 (包括 GaN 和 SiC)，設計人員在主動 PFC 電路上有了新選擇。比起以類比控制為基礎的主動 PFC 設計或被動 PFC 設計，這些新電路可提供更高的效率和功率密度。

設計人員可以使用先進的數位控制技術來取代類比控制器，或額外加入微控制器等數位控制元件來補強類比控制，讓 PFC 的效能達到最高。在某些情況下，WBG 半導體也能用來提升 PFC 的效能。

元件成本逐漸下降，加速實作出兩種不同的 PFC 方法，即交錯式設計和無橋接式設計。這兩種方法各有不同的優點：

• 交錯式 PFC 的優點：
  • 效率更高
  • 改善熱分佈
  • 通過 PFC 級的 rms 電流減少
  • 模組化
• 無橋接式 PFC 的優點：
  • 效率更高
  • 輸入整流損失減半
  • 改善熱分佈
  • 功率密度更高

三通道交錯式 PFC 控制器結合利用類比控制和數位控制

STMicroelectronics 的 STNRGPF01 控制器是一種可配置的 ASIC，結合利用數位控制和類比控制，能在交錯式 PFC 設計中驅動多達三個通道 (圖 5)。此元件在平均電流模式控制下，以固定頻率的連續導通模式 (CCM) 運行，並實作混合訊號 (類比／數位) 控制。類比內部電流迴圈由硬體執行，能確實依週期順序調整。外部電壓迴路由數位比例積分 (PI) 控制器執行，具有快速動態響應。

圖 5：STNRGPF01 的功能方塊圖顯示三相交錯式 PFC 應用中的內部類比控制區 (紅色)，以及外部數位控制區 (綠色)。(圖片來源：STMicroelectronics)

STNRGPF01 可實作彈性的切相策略，依據實際的負載條件來啟用正確的 PFC 通道數量。藉由這項功能，STNRGPF01 可確保在各種負載電流要求下，一律提供最高的電源效率。

此控制器實作幾項功能，即湧入電流控制、軟啟動、突衝模式冷卻管理及狀態指示。此元件也內建全套嵌入式保護功能，來防止過電壓、過電流及熱故障。

為了協助設計人員入門操作，STMicroelectronics 同時提供 STNRGPF01 架構的 STEVAL-IPFC01V1 3 kW PFC 電源管理評估板 (圖 6)。特點和規格包括：

• 輸入電壓範圍：90 至 265 V_AC
• 線頻範圍：47 至 63 Hz
• 最大輸出功率：230 V 時為 3 kW
• 輸出電壓：400 V
• PF：20% 負載時大於 0.98
• 總諧波失真：20% 負載時小於 5%
• 混合訊號控制
• 切換頻率：111 kHz
• 逐週期調整 (類比電流控制迴路)
• 輸入電壓和負載前授
• 切相
• 突衝模式運作

圖 6：STEVAL-IPFC01V1 方塊圖顯示：1.I/O 測量訊號；2.類比電路；3.功率級；4.使用 STNRGPF01 數位控制器的數位控制區；位於三相交錯式 PFC 設計中。(圖片來源：STMicroelectronics)

除了 STNRGPF01 混合訊號控制器，此評估板還包含 STW40N60M2 N 通道、600 V 和 34 A 低 Qg 矽晶功率 MOSFET 及 PM8834TR 閘極驅動器 IC。

使用 GaN FET 的無橋接圖騰柱 PFC 設計

開發無橋接 PFC 拓撲，目的在於消除與使用二極體橋接器整流有關的壓降和低效率問題。隨著 GaN 和 SiC 等 WBG 功率半導體的出現，讓無橋接圖騰柱 PFC 設計得以實現 (圖 7)。在傳統的圖騰柱設計 (a) 中，使用兩個 GaN FET 和兩個二極體進行線路整流。在修改的無橋接圖騰柱電路 (b) 中，則是將二極體替換成兩個低電阻的矽晶 MOSFET，取代二極體的電流電壓 (IV) 壓降，藉此提高效率。

圖 7：在傳統的圖騰柱設計 (a) 中，使用兩個 GaN FET 和兩個二極體進行線路整流；在修改的電路 (b) 中，則是將二極體替換成兩個低電阻的矽晶 MOSFET，取代二極體的電流電壓降，提高無橋接圖騰柱中的效率。(圖片來源：Transphorm)

相較於矽晶 MOSFET，GaN 高電子遷移率電晶體 (HEMT) 的逆向復原電荷 (Qrr) 明顯較小，因此無橋接圖騰柱設計相當實用 (圖 8)。這是 CCM 型圖騰柱 PFC 設計的線路簡圖，重點在於將導通損耗減至最少。

圖 8：在 CCM 模式圖騰柱 PFC 設計的線路簡圖中，包含兩個以高脈寬調變頻率運作的快速切換式 GaN HEMT (Q1 和 Q2)，可充當升壓轉換器，以及兩個電阻極低的 MOSFET (S1 和 S2)，則以速度更慢的線頻 (50 Hz/60 Hz) 運作。(圖片來源：Transphorm)

電路包含兩個快速切換式 GaN HEMT (Q1 和 Q2)，以及兩個電阻極低的 MOSFET (S1 和 S2)。Q1 和 Q2 以高脈寬調變 (PWM) 頻率運作，充當升壓轉換器。S1 和 S2 以速度更慢的線頻 (50 Hz/60 Hz) 運作，充當同步整流器。初級電流路徑中僅包含一個快速開關和一個慢速開關，不會有二極體壓降的問題。S1 和 S2 充當同步整流器，如 8(b) 和 8(c) 所示。在正 AC 週期內，S1 為開，S2 為關，迫使接至負端子的 AC 中線與 DC 輸出連接。負週期內則剛好相反。

為了能在 CCM 下運作，必須將從屬電晶體的本體二極體充當返馳式二極體，以便電感電流能在失效時間流動。不過，一旦打開主控開關，二極體電流必須快速降至零，同時轉換成反向關斷狀態。這是圖騰柱 PFC 設計的關鍵流程，但由於高電壓矽晶 MOSFET 的本體二極體具有很高的 Qrr，因而會導致異常尖波、不穩定及相關的高切換損耗。GaN 開關的 Qrr 很低，讓設計人員能夠克服這道障礙。

設計人員可以使用 Transphorm 的 TDTTP4000W066C 4 kW 無橋接圖騰柱 PFC 評估板，來研究電路的運作。此元件使用 Microchip Technology 的 MA330048 dsPIC33CK256MP506 數位電源插入式模組 (PIM) 作為控制器。利用 Transphorm 的第四代 (SuperGaN) TP65H035G4WS GaN FET，可獲得非常高的單相轉換效率。在電路的快速切換端使用 Transphorm 的 GaN FET，以及在電路的慢速切換端採用低電阻 MOSFET，能提升效能與效率。

雙向圖騰柱 PFC 設計將矽晶 FET 和 SiC FET 相結合

針對電網互動式純電動車及電池型能源儲存系統的設計人員，Infineon 提供了 EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 評估板，這是一款具備雙向電源功能的 3300 W 圖騰柱 PF 校正器 (圖 9)。此款無橋接圖騰柱 PFC 板提供 72 W/in3 的高功率密度。EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 板中實作的圖騰柱能在整流器 (PFC) 和逆變器模式中，以連續導通模式 (CCM) 運作，並使用 Infineon 的 XMC1000 系列微控制器來實作全數位控制。

圖 9：EVAL3K3WTPPFCSICTOBO1 3300 W 圖騰柱 PFC 評估板的方塊圖所示拓撲，能提供此板件的指定功率密度 72 W/in3。(圖片來源：Infineon Technologies)

此圖騰柱 PFC 設計結合利用 Infineon 的 IMZA65R048M1 64 mΩ、650 V、CoolSiC SiC MOSFET，及其 IPW60R017C7 17 mΩ、600 V、CoolMOS C7 矽晶功率 MOSFET。此轉換器專門在 CCM 下以高線路電壓 (最小 176 Vrms，標稱 230 Vrms) 運作，切換頻率為 65 kHz，半負載時的效率可高達 99%。這款 3300 W 雙向 (PFC／AC-DC 和逆變器／AC-DC) 圖騰柱解決方案還使用其他 Infineon 元件，包括：

• 2EDF7275FXUMA1 隔離式閘極驅動器
• ICE5QSAGXUMA1 QR 返馳式控制器，搭載 IPU95R3K7P7 950 V CoolMOS P7 MOSFET，用於偏壓輔助電源供應
• XMC1404 微控制器，用於 PFC 控制實作

結論

低 PF 會在公用電網和電力轉換器中帶來低效率的問題，促使 PFC 成為各種 AC 主電源供電設備的必要元素，而且有些規範針對特定類型的電子元件，制定了最低 PF 等級。為了符合這些規範要求，並且滿足尺寸更小及效能更高的需求，設計人員需要捨棄簡單且低成本的被動 PFC 技術，改採替代方案。

如本文所示，設計人員可以使用數位控制技術和 SiC 和 GaN 等 WBG 半導體，來實作主動 PFC 設計，以實現 PF 更高和尺寸更小的設計。

推薦閱讀

1. 設計高效率的交錯式功率因數校正解決方案
2. 使用 SiC 架構的 MOSFET 改善功率轉換效率