升壓式 PFC 轉換器電路架構

3.3.1 功率電路規格與架構分析

升壓式轉換器電路架構如圖3.5所示，其特色如下：

1 電感電流即輸入電流，易於電流模式控制。

2 功率開關非浮接，驅動電路容易設計。

3. 輸出電壓高於輸入電壓，可強迫負載端與輸入電壓同相位抽取電流以去除諧波之發 射。

4. 電感與電源直接串聯，輸入電流連續，電磁干擾較小。

5. 起動時，輸入電壓大於輸出電壓，需另外設計限流電路以避免過大電流流經電感 造成電感飽和。

6. 輸出電壓為高壓，因此二極體及功率開關需要較大的耐壓。

此升壓式PFC轉換器乃用於伺服器電源的前級，其輸出電壓經電路分析與量測，穩 態時輸出為400 V直流電壓，以供作為後級全橋式相移轉換器之輸入。表3.1中則列出其 升壓式PFC轉換器輸入條件的規範，輸入電壓至少必需超過有效值160 V，系統方可啟 動，最慢於有效值達170 V必需啟動。系統輸出關閉的最低門檻為輸入電壓小於有效值 160 V，最慢於輸入電壓低於有效值150 V時系統輸出時必需關閉。

其一般正常輸入電壓需操作於有效值200 V至240 V之間，而升壓式PFC轉換器尚可 正常工作的最小輸入電壓為有效值170 V，最大不得超過有效值264 V。

圖3.5 升壓式轉換器電路架構

表3.1

伺服器前級電源之升壓式PFC轉換器輸入規範

參數 最小值 一般值 最大值 單位

Vin (voltage) 170 200/240 264 VACrms

Vin (frequency) 47 50/60 63 Hz

Iin (180VAC) 10.4 Arms

Iin (170VAC) 11.43 Arms

Vin (output turn-on) 160 170 VACrms

Vin (output turn-off) 150 160 VACrms

3.3.2 工作模式分析

功率因數修正(PFC)主要有兩種工作模式，不連續導通模式(DCM)及連續導通模式 (CCM)。不連續導通模式下，升壓式轉換器的功率開關在電感電流降為零時開始導 通，而在電感電流達到所需之輸入參考電壓時，功率開關即關閉。不連續導通模式主 要應用於輸出200 W以下的切換式電源供應器(switched mode power supply)，相較於連 續導通模式設備，不連續電流導通設備因有較大的電流變化量而有較大的導通損耗及 肌膚效應損耗，因此需要較大的輸入濾波器。反之，因其功率開關在電感電流降至零 時方導通，故可使用較小的電感，且不必考慮升壓二極體逆向回復電流。

連續導通模式則被應用於輸出功率大於200 W以上的切換式電源供應器。不同於不 連續導通模式，其電感電流在一般負載條件下不會降為零，因此其電感電壓變化較 小，而在功率電路上的各元件能有較低導通損耗，較低的電磁干擾及較小的輸入濾波 器。又由於其功率開關不在零電感電流時導通，故需要使用快速逆向二極體以減低損 耗。

升壓式PFC轉換器操作點邊界分析

由於升壓式轉換器的輸入電壓會在零到其有效值的√2倍之間作變動，故輸入電壓 的變動與電感電流連續導通之間的關係，會隨著負載條件的改變而有所變動，因此需 要就系統的連續導通模式及不連續導通模式的臨界點進行分析。由圖3.6可得知，輸入 線電流上存在與開關頻率相同之漣波ΔI，且此漣波大小在變動的輸入電壓及不同的負 載鯈件之下大致均為一固定值。故當波形為半弦波之線電流小於1/2ΔI時，則此時系統 進入不連續導通模式；又由於在理想情況下，PFC電路之輸入電壓及輸入電流波形應同

圖3.6 升壓式PFC轉換器之電感電流波形

式之輸入電壓範圍，故可得出升壓式PFC轉換器在變動的輸入電壓及不同負載下，其工 作點之特性曲線圖，見圖3.7。

其中圖3.7中之虛線為系統DCM及CCM之臨界值，系統在虛線右邊操作於連續導通 模式，虛線左邊則表系統進入不連續導通模式。今以輸出功率300 W、輸入電壓220 VRMS、輸出電壓400 VDC，ΔI設定為電感電流最大值之25%，3.4 A，效率η為0.9為 例；在功率因數近似為1的前提下，輸入功率可表為輸入電壓及輸入電流有效值之乘

圖3.7 升壓式PFC轉換器工作點特性曲線圖

故將(3-11)中之Iin,pk與ΔI代入(3-12)，可得出φ為52.1°。再由(3-13)可知當輸入電壓大於 245.69 V時，系統方操作於連續導通模式，此時負載為300 W。由圖亦可得推算出系統 於負載為238 W時將完全操作於DCM中。