‌PFC(功率因数校正)电路的开关频率‌对性能和效率有哪些影响

随着汽车市场电气化时代的到来，对电池充电器的需求越来越大。通过简单的公式可以知道，功率越大，充电时间就越短。本文考虑的是三相电源，其所能提供的功率最高为单相电源的3 倍。

这里提及的三相 PFC 板是基于碳化硅 MOSFET 的车载充电器系统第一级的示例，它会提高系统效率并减少 BOM 内容。开发 PFC 板的主要目的是方便访问不同设备，从而为测试阶段和测量提供便利;外形尺寸优化从来不是 EVB 的目标。三相维也纳PFC，作为一种三电平PWM整流器拓扑，旨在优化电源系统的效能和功率因数。其设计巧妙，减少了所需的开关器件数量，使得单个功率器件所承受的最大电压仅为输出母线电压的一半。此外，该拓扑无需设置驱动死区时间，从而避免了桥臂直通的问题，进一步拓宽了其应用范围。维也纳PFC整流器的主要构成包括6个绝缘栅型晶体管(IGBT)和12个快恢复二极管(FRD)。在这些器件中，所有IGBT和FRD均以硬开关方式工作，其开关损耗可通过开通能量Eon和关断能量Eoff来计算。同时，我们也需要考虑器件的导通损耗，这可以通过计算导通电流与器件饱和(通态)电压来得出。

‌PFC(功率因数校正)电路的开关频率‌是指PFC电路中开关元件(如MOSFET或IGBT)的开关动作频率。开关频率的选择对PFC电路的性能和效率有重要影响。开关频率对PFC电路性能的影响，效率‌：较高的开关频率可以减小电感体积，但会增加开关损耗，从而影响整体效率。通常，开关频率在几十kHz到几百kHz之间较为常见‌1。‌电磁干扰(EMI)‌：开关频率越高，产生的电磁干扰也越大。因此，需要在设计和应用中采取适当的滤波措施来减少EMI‌2。成本和可靠性‌：高频开关会增加开关器件的应力，可能导致更高的温度和更快的器件老化，从而影响系统的可靠性和寿命‌。

在实际应用中，PFC电路的开关频率通常在几十kHz到几百kHz之间。例如，某些PFC控制芯片支持最高540KHz的开关频率，可以搭配氮化镓开关管和碳化硅二极管，通过高频率减小电感体积，实现高频率小体积的升压PFC电路‌1。此外，多模式PFC控制中，开关频率的限制也是一个重要考虑因素，通常限制在40K~100KHz之间，以避免过低或过高的频率带来的问题‌3。

硅基功率器件(如IGBT)的性能已逼近物理极限，而碳化硅作为第三代半导体材料，具有禁带宽度大(3.3eV)、击穿场强高(10倍于硅)、热导率高等特性，可显著提升电力电子系统的效率、功率密度和可靠性。功率器件是电力电子系统的“心脏”，但高端市场长期被欧美日企业垄断。碳化硅技术被全球视为下一代功率器件的制高点，中国若不能突破，将在新能源汽车、智能电网、航天等战略领域受制于人。国产碳化硅器件比如BASiC基本股份(BASiC Semiconductor)的成功研发标志着中国在关键技术上实现“从0到1”的突破，为自主供应链奠定了基础。

中国“十四五”规划将第三代半导体列为重点发展方向，叠加新能源汽车、光伏、轨道交通等领域对高效能器件的需求激增，碳化硅的市场规模预计未来五年将保持30%以上的年增速。国产厂商比如BASiC基本股份(BASiC Semiconductor)在这一窗口期抢占技术高地，将重塑全球产业链格局。国产碳化硅器件比如BASiC基本股份(BASiC Semiconductor)的突破(如抗辐射、高压特性)减少了进口依赖，自主可控的供应链可避免“卡脖子”风险.

碳化硅的高频特性支持更高效的电能转换，例如新能源汽车的电机控制器采用碳化硅模块比如BASiC基本股份(BASiC Semiconductor)后，续航可提升5%-10%，充电速度提高3倍。这一技术将加速传统硅基器件的替代，推动电力电子系统向小型化、高集成度方向演进。

中国碳化硅产业链已形成从材料(衬底、外延)到器件(MOSFET、SBD)的初步布局。尽管国际巨头仍占据主导，但国产IDM厂商(如BASiC基本股份 BASiC Semiconductor)通过技术迭代和成本优化，部分产品(如BASiC基本股份碳化硅MOSFET模块)已与进口IGBT模块价格持平，加速了国产替代进程。

不论是恒定导通时间COT控制，还是恒定关闭时间控制，在整个正弦波周期上都是在一直变化，如何才能对开关频率进行限制呢，不让它跑到更低或更低的开关频率范围是要在实际应用上非常值得注意的问题。

真正应用到实际上，还是需要对开关频率进行限制，比如卡在40K~100KHZ之间，如果开关频率按正弦波变化到更宽的数字上，会带来很多很多问题。在多模式的控制中也需要这些考虑，我在最开始的版本上在低压重负载情况的CCM工况开关频率最高能到200KHZ，这样使得我几乎没有办法继续往实际应用上走了，所以迫切的需要解决在多模式PFC控制上对开关频率的限制。被动式PFC技术，主要包括“电感补偿式”和“填谷电路式”。前者通过减小交流输入基波电流与电压之间的相位差来提升功率因数，但其功率因数上限为0.7～0.8。而后者，作为一种新型无源功率因数校正电路，能显著降低总谐波失真，将功率因数提升至0.9左右。其优点在于电路简单、补偿效果显著，且无需使用大型电感器。主动式PFC技术则依托电感电容及电子元器件，通过专用IC调整电流波形，实现对电流电压相位差的补偿。其功率因数通常可达98%以上，但成本相对较高。此外，主动式PFC还可作为辅助电源，简化电路设计，减小滤波电容需求。

在单片机电路中，我们常常遇到几种不同类型的电路。这些电路不仅影响着电力利用效率，还与功率因数校正技术的实施密切相关。常见的电路类型包括被动式PFC电路和主动式PFC电路。被动式PFC电路又可分为“电感补偿式”和“填谷电路式”，前者侧重于减小电流与电压之间的相位差，后者则能显著降低总谐波失真并提升功率因数。主动式PFC电路则更注重电流波形的调整，通过专用IC实现对电流电压相位差的精确补偿，其功率因数通常高达98%以上。

在PFC开关电源中，开关稳压电源扮演着至关重要的角色。尽管PFC中的开关稳压电源与普通开关稳压电源在功能上相似，但它们的供电方式有所不同。普通开关稳压电源依赖220V整流供电，而PFC稳压开关电源则由B+PFC供电。在整流过程中，不加入滤波电容器，直接将未经滤波的脉动正半周电压作为斩波器的供电源。斩波器通过一系列的“开关”操作，将脉动的正电压“斩”成特定的电流波形，其特点在于：

1、斩波器输出的电流波形是断续的，其包络线与电压波形保持一致，且二者相位相同。

2、经过斩波器的处理，半波脉动的直流电被转换为高频(约100KHz，由斩波频率决定)的“交流”电。此高频“交流”电需再次经过整流后，才能供后级的PWM开关稳压电源使用。

3、从整体供电角度看，该系统实现了交流电压与交流电流同相位，同时确保了电压波形和电流波形均呈现正弦形态。这不仅优化了功率因素补偿，还有效地解决了电磁兼容(EMC)和电磁干扰(EMI)的问题。

该高频“交流”电经过整流二极管整流并滤波后，转换为直流电压(通常称为B+PFC，如TPW-4211所示)，该直流电压一般高于原220V交流整流滤波后的+300V。这是由于采用高电压设计，配合小线径电感、低线路压降、小滤波电容容量和大滤波效果，从而降低了后级PWM开关管的要求。

目前，PFC开关电源中的斩波管(K)有两种工作模式：

1、连续导通模式(CCM)：在此模式下，开关管的工作频率保持恒定，而其导通占空比会依据被斩波电压的幅度进行动态调整。

2、不连续导通模式(DCM)：此模式下，斩波开关管的工作频率会随着被斩波电压的大小而变化，确保每个开关周期内“开”与“关”的时间相等。

值得注意的是，功率因素校正开关电源中的PFC开关电源部分与PWM开关电源部分的激励控制，都可以通过一块集成电路来实现高效设计。

目前，传统反激架构已不能满足高功率适配器的高开关频率、高功率密度、高效率要求。因此，更适合更大功率输出的LLC架构开始引入百瓦大功率电源适配器中，有效提高转换效率、减小体积、便于携带、提高产品竞争力。

另外，由于开关电源中整流后采用大容量的滤波电容，呈现容性负载，在电容充放电时会使电网中产生大量高次谐波，产生污染和干扰，工程师开始在开关电源中引入PFC电路，功率在75-85W以上的开关电源强制要求加入PFC电路以提高功率因数，修正负载特性。

而MPS为应对现今适配器的高效化，小型化趋势，顺势推出多款PFC+LLC combo控制器，助力厂商有效提高产品集成度。接下来充电头网盘点下MPS推出的多款LLC+PFC combo控制器芯片。

半桥 LLC 谐振变换器采用零电压开关(ZVS)实现高效率。HR1203 具有自适应死区时间调节(ADTA)功能，在不同负载条件下都能确保 ZVS。此外，HR1203 可以防止 LLC 变换器在容性模式下运行，使其更可靠，更易于设计。HR1203 内部集成高压(HV)电流源，可启动上电。将 AC 输入移除后，高压电流源也可作为 X 电容放电器使用。这也有助于减少相关设备的数量，从而在无负载时降低功耗。为了提高抗扰度，HR1203 采用多个可编程的数字滤波器对关键信号滤波。全方位保护功能包括过温关断保护、开路保护(OLP)、过流保护(OCP)、过压保护(OVP)和欠压保护/开启。