一文詳解PFC、BCM、CCM模式電路

本文開始將介紹在實際應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、使用上有什么區分。首先以PFC（功率因數改善）為例開始，有些電子設備是必須配備PFC的，所以此次先稍微介紹一下PFC。

什么是PFC

PFC（功率因數改善）是指改善功率因數，并使功率因數接近1。這是通過使功率因數角（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。諧波抑制在國際標準IEC61000-3-2中已經分類限值并規定了最大容許諧波電流，相應的電子設備基本上都配備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（晶體管）、二極管、電感構成，而交錯式PFC由2組構成，開關以180°相位差進行驅動。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，因此開關損耗分散，每個開關上的負載減輕，使熱設計更容易。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 轉換器的雙相驅動原理相同。

臨界模式（BCM）與連續模式（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行開關的電流臨界模式（BCM：Boundary Current Mode），一種是在電感連續流過電流的狀態下使用的電流連續模式（CCM：Continuous Current Mode）。

BCM是在二極管電流變為零的時間點開關導通，所以二極管中不會流過反向恢復電流。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下開關導通并強制關斷二極管，所以會流過較大的反向恢復電流，并產生開關噪聲。但連續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。

關鍵要點:

?PFC（功率因數改善）是指改善功率因數并使功率因數接近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計更容易。

?PFC的模式包括臨界模式（BCM）和連續模式（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

在實際的應用電路中，二極管和晶體管因其特性和性能不同而需要區分使用。在電源類應用中區分使用的主要目的是提高效率。本文將介紹PFC（功率因數改善）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格。除VF和trr外，其他規格基本同等。

?	RFNL10TJ6S?低 VF	RFV8TJ6S?高速 trr	単位
VRM	600	600	V
IF	10	8	A
VF	1.25?@IF=8A	3?@IF=8A	Vmax
IR	10	10	μA
trr	65	20	ns max

兩者的仿真結果如下。

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、標準trr的RFNL10TJ6S為0.23W，高速trr、標準VF的RFV08TJ6S為0.41W。VF的不同會帶來1.25V對3V（IF=8A時）的不同結果。

從這個結果可以看出，在PFC臨界模式下，二極管VF的不同對損耗會產生很大影響，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較大則相應的傳導損耗也將增大。

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（快速恢復二極管），給出了3種特性不同的二極管的效率測量結果。