使用傳統的功率因數修正器，並採用合適的DC/DC轉換器，很容易達到80Plus Platinum的效率要求。而若要再進一步提高到如80Plus Titanium的效率，只是單獨更換功率晶體或是電感並無法達到目的。從圖1的1000W交換式電源供應器中主要功率元件損耗分布圖可以發現，無論是在85Vac或是230Vac的條件之下，橋式整流器的損耗占功率元件損耗的大部分，因此如果想要在現有的架構內有效改善電源供應器的效率，從橋式整流器下手是最直接有效的方式。
如圖2為主動式橋式整流器(Active Bridge Line Rectification)。應用方法是在功率因數修正器中的橋式整流器上並聯額外的功率晶體，利用功率晶體較低的導通電阻，降低橋式整流器的導通損耗，達到提高全機效率的目的。對於應用於主動橋式整流器的功率晶體而言，其主要要求為極低的導通電阻，即使在流過大電流的情況下，要有效降低橋式整流器的功率損耗，功率電晶體二端的電壓差必須遠低於傳統橋式整流器的順向導通電壓值，才能夠使電流盡可能地全部流過功率晶體，達到預期提高效率的目標。
兩解方免除能量倒流
主動橋式整流器的控制電路概念簡單，只要以市電電壓經分壓後與參考電壓進行比較，就能夠得到對四個功率晶體的控制訊號(圖3)。此種控制電路會在不同的輸入市電電壓條件下，得到不同導通寬度的控制訊號，在低電壓輸入時，導通時間短，反之亦然。
在傳統的PFC電路中，橋式整流器後連接的濾波電容CF在輕載會造成零交越失真，造成較差的THD值。原因是輕載條件下，濾波電容上存在一較高電壓值，當輸入電壓低於濾波電容電壓時，整流器為截止狀態，電流無法連續導通。而使用主動橋式整流器之後，AC輸入電壓低於濾波電容時，若主動橋式整流器為導通狀態，會造成濾波電容上的能量倒流回到輸入電壓端，造成電源供應器有更差的PF值/THD值及極輕載效率變差(圖4)。
可能的解決方案有二，一是只使用下橋的功率晶體(圖4的Q3及Q4)，不使用上橋的功率晶體(如Q1及Q2)。逆向電流來自於濾波電容電壓對輸入電壓呈現正壓差，而此時導通的功率晶體會形成傳遞電流的路徑，使用主動橋式整流器的目的是為了改善橋式整流器的導通損耗，因此在考慮效率改善幅度滿足需求的大前提之下，可以只用下橋的功率晶體。其二，使用同步整流控制器，避免負向電流流經主動橋式整流器(圖5)。同步整流控制器的控制機制是送出控制訊號的同時，偵測同步整流功率晶體上的電壓準位，當電壓準位的數值由高減低時，預測電流可能反轉時截止控制訊號，可以避免負向電流。
整流器控制突發模式 減少無效電流功耗
主動式橋式整流器不只應用於高效率的交換式電源供應器，對於高功率密度及改善無風扇電源供應器的零件溫升也帶來極大的進步。在外置式電源供應器中，為了減少待機功耗，無法避免受到突發模式(Burst Mode)控制。當主動橋式整流器在外置式電源供應器中的Burst Mode控制之下，又該如何解決呢？如圖6(a)所示，為未使用主動橋式整流器時的交流電壓以及流出橋式整流器的電流波型Irec，其中電流波型只有零星出現，而此時待機功耗還能符合國際規範。圖6(b)為使用主動橋式整流器時的功率晶體驅動訊號及流出橋式整流器的電流訊號，可以發現電流波型的數量變多，而且出現負向電流，從實際測試結果來看，電源供應器的待機功率也大幅度提高至將近70mW，使電源供應器的待機功率無法符合國際規範要求。
因此在具有Burst Mode控制的電源供應器裡，除了直流電源供應外，主動式橋式整流器的控制機制，必須包括Burst Mode情況下的智慧指示訊號，使主動橋式整流器在Burst Mode發生時，切斷直流電源供應，使之停止動作，減少造成無效電流及無效功耗的增加。
主動橋式整流器計算損耗促供電效率提升
對電源供應器的設計者而言，使用主動橋式整流器的目的，不僅是減少橋式整流器的功率損耗，更重要的是從輕載到滿載，全面性地提高電源供應器的效率。計算主動橋式整流器所帶來的損耗改善，一般情況下必須先計算橋式整流器的導通損耗(圖8)，整流器被等效為等效的直流電壓差VT串聯等效的電阻RD，其損耗計算公式為：
而功率晶體被等效為一電阻，其值為特定溫度下的導通電阻(圖9)，而功率晶體的導通損耗如下：
從數學公式來看，可以將特定負載條件下橋式整流器的功率損耗減去功率晶體的功率損耗，就能夠得出效率改善的數值。然而看起來單純的計算，事實上並不容易。原因如下：
1.二極體的功率損耗被等效成為電壓差及等效電阻，然而這兩個值會隨著溫度及二極體電流而有所改變，但是二極體的製造商並沒有列出所有可能的圖型，大多只會提供25℃及150℃的曲線圖。
2.功率晶體的導通電阻隨溫度及電流變化，此外對於極低導通電阻的功率晶體而言，例如10mΩ，PCB上的寄生電阻值，容易造成難以被估算進來的功率損耗。
以實際的測試及量測結果而言，無論用何種方式計算或估測元件本身的功率損耗，都存在誤差，而且如果只探討元件本身的功率損耗值，其誤差值常常讓設計者感到苦惱。對設計者而言，計算橋式整流器及功率晶體損耗的另一個目的，是為了知道主動橋式整流器在何種負載條件下，能夠達到多少效率的提升。上述的測試結果可以利用電流條件，轉換到115Vac及230Vac系統下，不同輸入電流下的效率改善圖得知(圖10/11)。
讀者可以依照負載條件及想要改善的效率目標，選擇適常的電路結構，如全波整流或是半波整流，以及不同導通電阻的功率晶體。一般而言，低導通電阻的全橋主動橋式整流器效果最好，次一級的選擇為高導通電阻的全橋主動橋式整流器，最後是低導通電阻的半橋主動橋式整流器。
主動橋式整流器 需解衝擊電流/高電壓難題
從應用電路的角度來看，主動橋式整流器直接並聯在橋式整流器之上，則無可避免地面臨雷擊電壓及衝擊電流能力的問題。不同於功率晶體，一般的橋式整流器耐衝擊電流能力極高，如DB25X60在10ms內，其I2t可達350A2t。此外，一般的橋式整流器可以選用的電壓規格至少可達1000V，因此，若有雷擊問題發生時，可以採用較高電壓及電流規格的橋式整流器。傳統上橋式整流器的選用，對電源供應器的設計者而言，大多沒有太大的問題，然而當設計者選用了主動橋式整流器用於改善電源供應器的效率時，很多問題就必須納入考量範圍。
當功率晶體的電壓超過所能承受的崩潰電壓後，功率晶體在單位時間必須能夠承受足夠的能量衝擊，若在主動橋式整流器中採用IPT60R028G7，其電壓規格為650V@TJ,max，單脈波崩潰能量EAS為288mJ。很明顯地，在雷擊測試中，如果系統沒有使用能夠有效傳導及吸收雷擊能量的元件，即使進行只有1kV的測試，在主動式橋式整流器上的功率晶體，也會因為過電壓而毀壞。
如圖12所示，常用的兩種不同的Bypass Diode連接方式，圖12(a)連接於π型濾波器之後，而圖12(b)連接於π型濾波器之前，直接接在主動橋式整流器之上，其中π型濾波器經常被應用於CrM PFC連接於橋式整流器之後。
使用主動橋式整流器後，原來的橋式整流器是否就不需要呢？這是一個使用主動橋式整流器的電源設計者常常會問到的問題。考慮橋式整流器的電流能力以I2t決定；而功率晶體的最大電流能力，取決於功率晶體的散熱條件及最大接面溫度(圖13)。由圖中可以知道橋式整流器的耐電流能力遠高於功率晶體。無論是橋式整流器或是主動橋式整流器，所必須面對的Surge電流條件有幾個：
1.開機過程中，輸入電壓對輸出電容的充電電流
2.交流電壓週期丟失(AC Cycle Dropout)後的重新衝擊電流(Surge Current)
3.雷擊過程中的過電壓所產生的過電流
事實上，除了在開機過程中，因為有限流電阻的存在，所以衝擊電流值較小，如果只單靠功率晶體而沒有橋式整流器，功率晶體是很難抵擋得住上述的其他衝擊電流。由圖14的分流率計算結果可以得知，在沒有功率晶體驅動訊號的條件之下，功率晶體與橋式整流器的並聯，呈現兩個具有負溫度係數元件的並聯，因功率晶體的順向導通電壓VSD小於橋式整流器的順向導通電壓VF，致使近90%的電流都會流經功率晶體。
在有功率晶體驅動訊號的條件之下，功率晶體與橋式整流器的並聯，呈現正溫度係數的導通電阻與負溫度係數的二極體並聯，在橋式整流器的順向導通電壓VF大於電流與導通電阻的乘積時，大部分電流都會流過功率晶體；而在橋式整流器的順向導通電壓VF小於電流與導通電阻的乘積時，橋式整流器開始與功率晶體進行分流。
如圖16所示，假設VF為1.3V，功率晶體溫度75℃，橋式整流器溫度為25℃時，功率晶體上的電流為32安培，占總電流的42%；而在更高的總電流Itotal=110安培時，假設VF為1.5V，功率晶體溫度125℃，橋式整流器溫度為25℃時，功率晶體上的電流為30安培占總電流的27%，由此計算可以得到橋式整流器在衝擊電流下，確實能夠有好的分流效果。
圖17則為1200W PFC電路在AC電源丟失回復時，總電流與橋式整流器電流的波型，可以發現在正常條件下，幾乎沒有電流流過橋式整流器；但在大電流情況下，橋式整流器會開始進行分流，避免因瞬間的大電流造成主動橋式整流器燒毀。
整流器於高低功率下執行效率測試
採用TOLL封裝的功率晶體做為主動式橋式整流器，測試2400W的PFC電路，以75kHz的切換頻率，比較採用主動式橋式整流器與傳統橋式整流器的效率。在230Vac下，考量半載條件下的輸入電流有效值為5.3安培，橋式整流器上的順向導通電壓約為0.78V，其總功率損耗約為8.26W。在相同條件下，主動橋式整流器上功率晶體的導通電阻約為80mΩ，其總功率損耗約為2.24W，理論上，在輸入電壓為230Vac，採用主動橋式整流器時，半載條件下效率最高可改善0.46%，實測結果如圖18所示，採用主動式橋式整流器在半載測試條件下可以改善0.42%，而其最高效率將近98.8%。
採用IPL60R065C7，ThinPAK封裝，65mΩ的功率晶體作為主動式橋式整流器，測試130W的Silm Type Adapter，比較主動式橋式整流器與傳統橋式整流器的效率。在90Vac滿載下，輸入電流有效值為1.6安培，假設滿載條件下，橋式整流器的順向導通電壓為0.7V，功率損耗約為2.24W；65mΩ的功率晶體在100℃時的導通電阻約為100mΩ，功率損耗約為0.512W，功率損耗約可以少1.7W，效率約可提升1.1%，接近實際量測結果。
主動式橋式整流器擅於改善供電效率
就高效率及高功率密度切換式電源器而言，主動式橋式整流器是一種能夠直接有效改善全機效率的電路。無論是無法使用無橋式功率因數修正器的電源供應器，如具有Burst Mode的電源適配器，需要改善元件溫度及效率，或是需要改善10~70%效率的伺服器電源。主動式橋式整流器透過簡單的小卡，直接在不改動系統大架構的情況下，達到提升效率的目的。不同的效率改善幅度，可以透過不同規格導通電阻的功率晶體來達成目標，效率改善幅度可以先透過文章內的功率損耗計算來預測；要達到最好的效能提升，更低的RDS(ON)具有決定性的影響。例如英飛凌(Infineon)是目前業界能夠在相同封裝內達到較低功率晶體的製造商，此外，針對不同機械結構要求提供相應的封裝，能夠實現彈性的應用。針對主動式橋式整流器上的功率晶體，依照不同的要求，必須採用適當的Surge電壓及電流解決方案，用以保護在這些條件之下主動式橋式整流器上的功率晶體，即使主動式橋式整流器動作如同橋式整流器一般，考慮Surge電流能力，橋式整流器仍然必須保留並且與之並聯。最後針對2400W的PFC電路及130W Slim Type Adapter進行效率的量測及改善，並提供參考電路，讀者可以依照參考電路的設計概念進行主動式橋式整流器電路的製作。
(本文作者皆任職於英飛凌)
