為了節省能源，包括能源之星、拯救氣候，還有其他八十多項與運算電源相關的計劃，都要求脫機式交流對直流(AC-DC)電源轉換器具備功率因子校正(PFC)功能，期發揮更高的效率。本文將分理論與實務兩方面評估PFC拓撲架構，讓設計人員能根據系統需求選擇最適用的拓撲。

　　為了節省能源，某些公營事業公司及環保機構研擬出許多方案與獎勵計劃，期望能夠使脫機式交流對直流(AC-DC)電源轉換器發揮更高的效率。為減少電線傳輸的耗損，這些公司和機構都要求脫機式轉換器具備功率因子校正(PFC)功能。這些方案包括能源之星(Energy Star)、拯救氣候(Climate Savers)，還有其他八十多項與運算電源相關的計劃。這些計劃在本質上相似，均都要求脫機式電源轉換器在負載從20%升高到100%時，發揮80%以上的效率，同時要求在滿負載時，其功率因子要達到0.9以上。

　　為了達到這些功率因子需求，設計人員須導入PFC預整流器(Pre-regulator)。目前已開發出兩項創新的PFC控制拓撲，可提升 PFC控制器的效率。第一種拓撲是半無橋式PFC，可減少一半的橋式整流器耗損;第二種拓撲是交錯式PFC，可減少高達50%的轉換器I2R耗損。這兩項技術均須使用兩個升壓功率級來提升效率，因此，設計人員經常要對這兩種拓撲架構進行抉擇。為了厘清這個問題，以下將分理論與實務兩方面評估，讓電源供應設計人員能根據系統需求選擇最適用的拓撲。

　　半無橋式PFC效率/電感尺寸難兼得

　　圖1為半無橋式PFC預整流器的電路拓撲圖。此拓撲須搭配兩個升壓功率級(Boost1及Boost2)以實現PFC，升壓電感直接連接到轉換器的輸入。此一拓撲也須采用全波整流器(DA、DB、DC及DD)，使一般PFC升壓電容(CBOOST)在最初的通電時間可達到最高電量。然而，在升壓電容的電量達到最高，轉換器啟動運作之后，電源轉換器在每一次二極管網橋傳導期間，只會有一個整流器二極管(DA或DB)處于工作狀態，不像在全橋式拓撲中，一般會有兩個二極管同時進行傳導。這與以兩個橋式整流器二極管進行傳導的傳統PFC升壓相當不同。這項創新技術可免除一個整流器二極管所產生的傳導損耗而提升效率，進而提升整體系統的效率。

圖1　半無橋式PFC預整流器與其電路拓撲

　　半無橋式PFC雖可提升系統的運作效率，但也有較傳統PFC預整流器更復雜的缺陷，且設計人員必須使用更大的電感組件。如果深入探究傳統PFC升壓預整流器的電感區域乘積(WaAcT)及半無橋式PFC預整流器的整體電感乘積(WaAcS)，即可看出這一點。

　　磁性設計人員透過以繞組(Winding)區域(Wa)及核心橫截面區域(Ac)為基礎的區域乘積計算來選取磁性核心。公式1～3計算半無橋式及傳統 PFC預整流器的電感區域總乘積，其中L是PFC升壓電感，IP是峰值PFC輸入電流，ILRMS是均方根(RMS)電流的PFC電感，變量CD表示所設計電感的電流密度，變量ΔB表示電感中磁通量密度(Flux Density)的變化，Ku表示磁性階段繞組效率。

　　從這些區域乘積的等式中，可看出半無橋式PFC電感乘積的區域總乘積大約比傳統PFC預整流器的區域乘積高出1.414倍。亦即半無橋式PFC的總磁量比使用單一升壓功率級的傳統PFC預整流器至少高出1.4倍。

[NT:PAGE]

　　交錯式PFC具備低EMI/小尺寸優勢

　　交錯式PFC預整流器則是將兩個升壓功率級交錯。這項控制技術須使兩個經過功率因素校正的升壓功率級保持180度反相運作。此一拓撲具有多項優點，因此受到廣泛運用，其中一項主要的優點是可以消除輸入及輸出電感鏈波電流。如果設計得宜，亦有助于降低整體升壓電感及/或電磁波干擾(EMI)磁量。消除輸出電感鏈波電流可減少升壓電容均方根電流，使電容體積縮小25%以上。讀者須特別注意，此處所指的電容體積縮小不是指升壓電容體積可以縮小，因為升壓電容一般是由延遲時間及輸出功率所決定。圖2為交錯式PFC預整流器示意圖。

圖2　交錯式PFC預整流器與其電路拓撲

　　交錯式PFC預整流器會將傳導損耗分散于兩個 PFC升壓功率級(PCONDUCTION_INTERLEAVED)。相較于使用傳統單一升壓功率級PFC，設計人員可使用交錯式PFC減少將近一半的傳導損耗。如果深入探討交錯式PFC升壓的簡化傳導耗損等式，以及傳統單一升壓功率級PFC預整流器的簡化傳導耗損等式 (PCONDUCTION_TRADITIONAL)，即可看出這一點(公式4～6)。

　　將PFC預整流器交錯可減少升壓電感的總磁量，為了證實這一點，可深入探究交錯式PFC預整流器內兩個電感的總電感區域乘積(WaAcI)，以及傳統 PFC預整流器升壓電感的區域總乘積。從公式7與公式8可看出交錯式的總區域乘積是傳統PFC升壓電感區域總乘積的一半。實際上，交錯式PFC預整流器兩個電感的總升壓電感量會比傳統PFC升壓電感的電感量少32%。

[NT:PAGE]

　　半無橋/交錯式拓撲各擅勝場

　　交錯式及半無橋式PFC的效率表現均可圈可點。半無橋式PFC可減少系統中橋式整流器一半的耗損進而提升效率，交錯式PFC可分散電源而降低一半預整流器的傳導耗損。為評估使用交錯式及半無橋式PFC所能實現的效率提升，筆者實際進行了一項實驗，將300瓦的轉換模式(Transition Mode)交錯式PFC預整流器系統修改成150瓦，并將之與150瓦半無橋式PFC預整流器和傳統單一升壓功率級150瓦轉換模式PFC預整流器一起比較，以了解三種預整流器拓撲從30瓦負載升高到150瓦滿負載的效率變化。

　　為使具備恒定通導時間的交錯式轉換模式PFC預整流器能在圖1所示的轉換模式半無橋式拓撲下運　作，筆者額外設計了一套外部電路(圖3)，讓交錯式PFC預整流器的各個電感能在半無橋式拓撲中達到零電流偵測(Zero Current Detection)。此電路可用于大多數單一升壓功率級的恒定通導時間轉換模式PFC控制器，進而得以用于半無橋式轉換模式PFC預整流器。

圖3　將交錯式拓撲轉換為半無橋式轉換模式所需的額外電路

　　圖4即為此一實驗的結果。為了使比較的基礎一致，各個場效晶體管(FET)都是以一個離散的1.5安培閘極驅動電路加以驅動，因此場效晶體管在這三種拓撲都能達到相同的升高與降低時間。從圖4可看出，傳統及半無橋式PFC預整流器在輕負載時所發揮的效率高于交錯式 PFC預整流器，因為在輕負載下驅動兩個場效晶體管時，其切換耗損相當嚴重。關閉輕負載條件下的相位，可提升PFC預整流器的輕負載效率，進而達到近似傳統預整流器的輕負載效率。

圖4　三種PFC預整流器效率比較

　　當系統處于150瓦滿載狀態下時，由于傳導損耗相當嚴重，因此傳統PFC預整流器的效率最低。半無橋式PFC預整流器的滿載效率略優于傳統PFC預整流器，效率大約高出0.7%，但仍低于交錯式PFC預整流器的1.3%，因此交錯式PFC預整流器的滿載效率是最佳的。

　　高功率密度應用宜采交錯式PFC

　　根據筆者的評估與實驗結果，半無橋式PFC預整流器確實比傳統單一升壓功率級PFC預整流器更有效率，然而，半無橋式PFC的電感總量比傳統PFC升壓電感至少高出1.4倍，因此嚴重影響預整流器的功率密度。

　　在所評估的三種拓撲中，半無橋式PFC可發揮最大的輕負載效率，而在傳導損耗相當嚴重且轉換器須散熱的滿負載情況下，交錯式PFC預整流器的效率最高。 整體來說，交錯式PFC預整流器所發揮的優點，遠高于半無橋式及傳統PFC拓撲。藉由降低電感及電磁波干擾總磁量，交錯式PFC預整流器可在設計中達到最高的功率密度，而且比起傳統 PFC更能縮小電容體積。此外，利用交錯可減少一半的傳導損耗，并且能縮小散熱器體積，進而達到較高的功率密度。