主動式
改善導通損耗/控制電流分流 主動橋式整流器增供電效率
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。
圖1 功率因數修正電路內功率元件的損耗分布
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。
圖2 主動式橋式整流器
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。
圖3 主動式橋式整流器控制概念
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)。
圖4 輕載下,較差的PF及THD值來自濾波電容的能量倒流
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。
圖5 採用同步整流控制器用於主動式橋式整流器
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。
圖6 主動式橋式整流器於Burst Mode下造成的輸入電流波型
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。
圖7 具有burst mode致能訊號的主動橋式整流器控制概念
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:
圖8 二極體的功率損耗計算公式
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:
圖9 功率晶體的功率損耗計算公式
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)。
圖10 分別使用22mΩx4、22mΩx2及40mΩx4 的主動式橋式整流器在115Vac條件下有風扇及無風扇及不同負載條件的效率改善幅度
圖11 分別使用22mΩx4、22mΩx2及40mΩx4...