1.   PFC 概述

功率因數 ( Power Factor ) 定義為電源系統的輸入實功率 ( Real Power ) 與視在功率 ( Apparent Power ) 的比值，主要表示的是電網的利用率，越接近 1 則表示虛功率 ( Reactive Power ) 越低，利用率越高。對於供電端，例如電廠等來說，功率因數越高，則能源的效率越好，因此各國對於用電的功率因數都有相應的規範。

而各種功率因數校正拓樸 ( Power Factor Correction ) 便是為了提高功率因數而誕生。其中在一般單相電源的 AC-DC 轉換中，最常使用的便是升壓型 PFC 轉換器。

2.   傳統升壓型 PFC 轉換器 (PFC Boost Converter)

升壓轉換器是利用電感、二極體與開關組成的轉換器，可以將輸入電壓升壓。而在升壓的過程中加上電流控制，使電流的大小與輸入電壓成正比，便是升壓型 PFC 轉換器。

普通的升壓型 PFC 轉換器會經由一個橋式整流器將具正負電壓的交流電壓全波整流為僅有正電壓的饅頭波，再經由升壓電路控制輸入的電流跟隨輸入電壓。

 

3.   無橋式升壓型 PFC (Bridgeless PFC) 類型

由於橋式整流器的存在，在轉換器工作時始終有兩個二極體同時導通。在高功率應用中，這個固定損耗由於電流提升而增加，影響了效率的近一步提升。

為了改善這個問題，各種無橋式升壓拓樸被開發出來，透過取代橋式整流器，減少電流路徑上的電晶體數量來增進效率。其中常被討論的拓樸有 Classic Bridgeless、Semi-bridgeless、Totem-pole Bridgeless。 

3.1  Classical bridgeless PFC 動作原理

Classical bridgeless PFC 將橋式整流器省略，使用一個電感、兩個 MOSFET 及兩個二極體構成 AC 正負半周皆可工作的 Boost Converter。這個架構的優勢在於元件精簡。缺點是仍有二極體存在於電流路徑上，沒有完全以耗損較小的 MOSFET 取代所有功率晶體。另外作為負極回流路徑的 MOSFET 切換時造成的電容負端的電位變動，會成為 EMI 干擾的來源。

3.2  Semi-bridgeless PFC 動作原理

Semi-bridgeless PFC 與 Classical bridgeless PFC 類似，差異在保留了橋式整流器的下半部，並且使用兩個電感。優勢在於因為保留了橋式整流器下半部的兩個二極體，因此電流由電容負端回流時高頻成分可以通過二極體，使 EMI 噪聲得以降低。缺電在於元件數增加，尤其是需要兩顆電感，會造成功率密度下降。

電路圖與電流路徑如下：

 

3.3  Totem-pole PFC 動作原理

Totem-pole PFC由兩個開關半橋構成，其中一個半橋作為整流橋，負責電容負端至輸入端地回流路徑，使用普通低 RDS(ON) 的 MOSFET 即可。另一組半橋負責 Boost converter 的充放電切換，可以由 SiC/GaN FET 等反向恢復時間短的功率晶體組成。優勢在於其擁有最少的元件數與理論上最低的功耗，缺點和 Classical bridgeless PFC 相同，有 EMI 難解的問題。

電路圖與電流路徑如下：

正半周 AC 電流路徑

 

4.   PWM 控制策略

4.1  Bridgeless 與 Semi-bridgeless

Bridgeless 與 Semi-bridgeless 的控制方式相同，S1、S2 在正負半周分別只有其中一個作為升壓切換電路的開關元件。另一個開關則以背接二極體 ( Body Diode ) 全時導通，行為類似整流二極體，可以在電流大於一定值後控制閘極信號使 MOSFET 導通，以減少透過背接二極體流通電流的損耗。PWM 波形參考下圖 。

 

4.2  Totem-pole Bridgeless

Totem-pole Bridgeless 架構中，Q1、Q2 的工作方式為互補的 PWM 對，分別做為電感儲能與電感續流的路徑。S1、S2 則是回流至 AC 電源的回流路徑，每當正負半周換向切換一次。

5.   類比訊號採樣說明

PFC 轉換器運作所需的信號有以下三種，分別對於各信號進行說明。

• 輸入電壓 : 通常經由電阻分壓採樣，主要用來得知目前的輸入電壓大小與當前的電壓大小。
• 輸出電壓 : 通常經由電阻分壓採樣，用來作為輸出電壓穩壓控制的信號。
• 輸入電流 : 可以使用霍爾元件 ( Hall Sensor )、電流變壓器 ( Current Transformer )、檢流電阻 ( Shunt Resistor ) 等方式採樣。用來作為輸入電流跟隨輸入電壓波形的控制信號。
  
  

6.   PFC 控制迴路

功率因數定義為 AC 輸入的實際功率與視在功率的比值，因此提升功率因數最好的方式，就是盡可能讓輸入電流與輸入電壓的震幅、相位一致。因此 PFC 需要以下兩種功能 :

• 控制輸出電壓 : 控制輸出電壓穩定在目標的電壓值。
• 控制輸入電流 : 控制輸入電流的振幅大小與相位與輸入電壓一致。

根據 PFC 的需求，PFC 的控制迴路分為三個部分。

• 輸出電壓控制迴路 : 將輸出電壓穩壓在目標電壓。
• 參考電流計算 : 計算當前跟隨輸入 AC 電壓的參考電流
• 輸入電流控制迴路 : 將輸入電流控制在目標電流。

7.   參考資料

• Performance Evaluation of Bridgeless PFC Boost Rectifiers - Laszlo Huber, Yungtaek Jang, and Milan M. Jovanovic
• Common Mode EMI Noise Suppression for Bridgeless PFC Converters - Pengju Kong, Shuo Wang
• AN12618 : Totem-Pole Bridgeless PFC Using MC56F83783 – NXP