采用交錯(cuò)式升壓級可以降低功率因數(shù)校正預(yù)調(diào)節(jié)器功率轉(zhuǎn)換器輸入及輸出紋波電流，從而縮小升壓電感器尺寸并降低輸出電容的電氣應(yīng)力。
用于 PFC（功率因數(shù)校正）預(yù)調(diào)節(jié)器的最常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為升壓轉(zhuǎn)換器，該升壓轉(zhuǎn)換器有一個(gè)持續(xù)的輸入電流，您可以采用平均電流模式控制技術(shù)進(jìn)行操作，使輸入電流可以跟蹤線電壓變化。圖 1 顯示了一款傳統(tǒng)的單級升壓轉(zhuǎn)換器。為了更方便地解釋電路工作情況，本文所指的均為直流輸入。ΔIL1 表示轉(zhuǎn)換器輸入端電感紋波電流變量，同時(shí)需要進(jìn)行濾波處理使其符合 EMI 規(guī)范。I1 表示二極管輸出電流，該電流為非持續(xù)電流，同時(shí)需要輸出電容 (COUT) 對其進(jìn)行濾波處理。在該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，輸出電容紋波電流 ICOUT 較強(qiáng)，這也是 I1 與 IOUT（直流輸出電流）之間的區(qū)別所在。
交錯(cuò)式升壓轉(zhuǎn)換器
圖 2 為雙級 (two-phase) 交錯(cuò)式升壓轉(zhuǎn)換器的工作原理圖，該雙級交錯(cuò)式轉(zhuǎn)換器由兩個(gè)在相位差為 180° 時(shí)運(yùn)行的升壓轉(zhuǎn)換器組成。輸入電流為兩個(gè)電感電流（IL1 及 IL2）之和。由于電感紋波電流的相位相反，這些電流相互抵消，并降低由升壓電感產(chǎn)生的電感紋波電流。當(dāng)占空比為 50% 時(shí)，輸入電感紋波電流消除效果最佳。輸出電容電流為兩個(gè)二極管電流 (I1+I2) 之和減去直流輸出電流的差，該直流輸出電流減小了輸出電容紋波電流 IOUT，該輸出電容紋波電流為占空比的一個(gè)函數(shù)。隨著占空比接近 0、50% 和 100% 時(shí)，兩個(gè)二極管電流之和就越來越接近直流電的值。這種情況下，輸出電容就不得不只對電感紋波電流進(jìn)行濾波處理。
輸入紋波電流的降低
下面的方程式和圖 3 顯示了輸入紋波電流與電感紋波電流的比率 K(D) 如何隨著占空比的變化而變化。在選擇交錯(cuò)式升壓轉(zhuǎn)換器的電感器時(shí)，牢記該變化是非常重要的。
圖 4 顯示了單級升壓轉(zhuǎn)換器的額定輸出電容 rms 電流，用 ICOUT_rms_single (D) 表示，同時(shí)還顯示了雙級交錯(cuò)式升壓轉(zhuǎn)換器的額定 rms 電流，用 ICOUT_rms (D) 表示，其為占空比的一個(gè)函數(shù)。圖 4 則表明雙級交錯(cuò)式升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電容紋波電流大約為傳統(tǒng)單級升壓轉(zhuǎn)化器輸出電容紋波電流的二分之一，從而減小了輸出濾波電容的電氣應(yīng)力。
電感器尺寸的估計(jì)
為了了解交錯(cuò)式 PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器縮小的升壓電感器尺寸所帶來的好處，我對一款單級和一款兩級升壓預(yù)調(diào)節(jié)器（圖 5）進(jìn)行了數(shù)學(xué)對比。該設(shè)計(jì)中需要一個(gè)大約為 350W 的最大輸出功率，用 POUT 表示；一個(gè) 85V rms 的最小線電壓輸入，用 VINMIN 表示；一個(gè) 265V rms 的最大線電壓輸入以及一個(gè)轉(zhuǎn)換效率大約為 95% 的轉(zhuǎn)換器。電感器的轉(zhuǎn)換頻率為 100 kHz，用 fS 表示。電感器的輸入紋波電流要求為 30%，同時(shí)，兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電感器的最高電感紋波電流出現(xiàn)在最小輸入及最大輸入電流中。
我選取了數(shù)個(gè)電感器，以應(yīng)用于基于紋波電流極值的兩種設(shè)計(jì)。就用于一般輸入端的轉(zhuǎn)換器而言，當(dāng)線電壓為峰值，并且交流輸入為最小值時(shí)，該點(diǎn)便會(huì)出現(xiàn)。當(dāng)占空比為 0.67 時(shí)，轉(zhuǎn)換器開始工作。圖 6 顯示了占空比是如何隨著線電壓 VIN(t) 的變化而變化的。函數(shù) D1(t) 表明了占空比是如何隨 265V rms 最大輸入而變化的。當(dāng)轉(zhuǎn)換器在最大輸入（265V rms）條件下工作時(shí)，并且輸入電壓為輸出電壓的二分之一時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)最大電感紋波電流。隨著線電壓值接近輸出電壓值時(shí)，占空比隨之減小，電感紋波電流也隨之減弱。
在轉(zhuǎn)換器輸入端，單級 PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器中的電感紋波電流較為明顯。用于一般輸入端的單級 PFC 電感大約為 450 µH。得出該計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)是，當(dāng)輸入端為 85V rms，最小占空比為 0.67 時(shí)，電感紋波電流為最強(qiáng)。
和傳統(tǒng)預(yù)調(diào)節(jié)器一樣，雙路交錯(cuò)式電感器擁有相同的輸入電流紋波要求。在一個(gè)交錯(cuò)式升壓級中，電感電流的變量大約為 3.4A。最小 rms 輸入電壓的可變最小占空比需要一個(gè)大約為 245 µH 的電感。在相同的功率級要求條件下，該電感大致相當(dāng)于一個(gè)單級 PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器電感的二分之一。
試驗(yàn)結(jié)果
為了對 L1、L2 和輸入電流進(jìn)行計(jì)算，我對一款使用 200-µH 電感的雙路交錯(cuò)式升壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了估算。當(dāng)線電壓為峰值時(shí)以低壓輸入，轉(zhuǎn)換器開始工作時(shí)便會(huì)出現(xiàn)電感紋波電流極值。圖 7 中的示波器圖顯示了輸入為 85V rms 時(shí) L1 和 L2 的電感電流。CH1 表示經(jīng)過整流之后的線電壓，CH2 表示 L1 電感電流，CH3 表示 L2 電感電流，CH4 則表示輸入電流。電流轉(zhuǎn)換比大約為 4A/段 (division)。
圖 8a 和圖 8b 顯示了在最大負(fù)載時(shí)輸入線電壓和電感紋波電流，其示波器圖的通道與圖 7 中所示相同。這些波形清楚地表明了通道 4 的輸入電流波形。這種兩級交錯(cuò)式 PFC 的設(shè)計(jì)采用了一個(gè) 220-µF 的輸出電容器。在滿負(fù)載狀態(tài)時(shí)，對于一款單級 350W 的 PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器來說，其輸出電容紋波電壓大約為 33.5V。對于一款兩級交錯(cuò)式 PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器而言，輸出紋波將會(huì)比單級 PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器的二分之一還要小。該原型預(yù)調(diào)節(jié)器的輸出紋波電壓在滿負(fù)載狀態(tài)時(shí)大約為 13V（圖 9）。
要確定該原型預(yù)調(diào)節(jié)器是否符合 EN61000-3-2 電流諧波規(guī)范，就需要原型預(yù)調(diào)節(jié)器的滿負(fù)載功率輸入諧波。第一諧波是 60 Hz 時(shí)的 rms 輸入電流。該諧波完全是在 CH61000-3-2 Class D 規(guī)范內(nèi)（參見圖 10）。
交錯(cuò)式 PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器允許電源設(shè)計(jì)人員減少電感磁性。功率轉(zhuǎn)換器輸入端的電感紋波電流消除可以使設(shè)計(jì)人員減少大約一半的電感。交錯(cuò)式PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器還可以減少升壓電容器中的紋波電流，進(jìn)而降低輸出電容器的電氣
過應(yīng)力。在原型電路未使用濾波的情況下，該設(shè)計(jì)仍然能達(dá)到 EN61000-3-2 Class D 電流諧波規(guī)范的要求。盡管其控制電路稍顯復(fù)雜，并且使用了更多的組件，但是在高功率應(yīng)用中，這樣的做法還是值得的。