歐洲規定 80W 以上的負載必須以高功率因素(power factor)的方式輸送電流，此舉對於維護綠色環境頗有助益。
在受到新規範影響的許多消費性產品當中，也包括家電用品，例如空調機、冰箱、洗衣機和乾衣機，這類產品都因為使用電動馬達驅動的反相器而具有複雜的電力負載。原則上，複雜負載的功率因素一般都不高。在規定這些電器用品必須經過功率因素校正(PFC)後，可以達到更有效的傳輸線電源輸送，以節省能源，並降低用電成本與燃燒化石燃料所排放的二氧化碳量。目前世界有許多國家的政府機關針對這類應用訂定類似的PFC規定。
限制湧入電流的重要性與做法
不具PFC的電動馬達驅動電路前端，其外觀如同裝有大量儲存電容的開關模式電源供應器(SMPS)一般，此電容會將經過整流的主要DC電源平順地輸出。剛開始針對馬達驅動電路供電時，主要電源輸入看似短路，原因是大電容(bulk capacitor)無電可用。在供應電源時，這個狀況會造成高湧入電流進入電容。如果高湧入電流未受控制或限制，從線路湧入的電流會突增到高於一般 RMS 操作電流的程度。這些過量的電流可能會損壞或威脅到機械和電子元件，包括保險絲、焊點或電子組件等。
大多數家電用品馬達製造商都運用負溫度係數電阻(NTC)來限制湧入電流。NTC的運作相當簡單，在溫度較低或剛開始啟動的狀況下，NTC會成為高阻抗裝置，並能有效地限制電流。在啟動後或進入正常運作狀態一陣子後，NTC會因為功耗所產生的熱能而使溫度升高。當溫度持續升高時，它的阻抗效果會顯著降低，因此更適於電流通過。在大多數嵌入式馬達驅動電路中，NTC位在AC端或緊鄰橋式整流器後的高電流路徑上。
採用NTC的做法本身有些缺點，會影響嵌入式馬達驅動的可靠性。如前所述，NTC的效率與溫度有關。溫度上升時，效能便隨之提高。NTC不能將熱能導出，否則無法達到預期的運作效果。功耗所產生的熱能會使周圍的環境溫度上升，而影響到附近的其他半導體元件。在嵌入式環境中，這個問題更為嚴重。只要上升10oC，就會減損半導體應有的使用壽命，甚至使得平均失效間隔時間(MTBF)減半，因此嚴重降低嵌入式馬達驅動的可靠性。
NTC本身的另一項主要問題是熱質量或時間響應。如果主要電源的電壓短暫降低，或者長時間嚴重斷電，造成大電容無電可用，便會發生問題。當線路電壓恢復時，NTC可能沒有足夠的時間降低溫度，而仍處於低電阻狀態。此時與線路恢復有關的湧入電流允許高於一般狀況的突增電流湧入，甚至高於剛開始啟動時的電流。在這種情況下，毫無任何防護可言。這些過高的電流會損壞動力系統元件，包括保險絲、焊點、訊號線或電流流經的所有元件。
在馬達電路剛開始通電時，電流會經過湧入電阻而湧入橋式整流器，經過湧入電阻限制的電流繼續流向大電容。經過一段通常由PFC控制器電路決定的時間後，便會開始運作。在啟動時，PFC控制器會開始切換電源MOSFET，這便會開始以脈衝輸送升壓電感中的電流。這個脈衝電流會接著在輔助繞組產生浮動的未調節電壓，以觸發兩個SCR的閘極。兩個SCR在電路中的位置所形成的電流路徑，正好略過橋式整流器的兩個整流器和湧入電阻。這條路徑是相當有效的電流路徑，完全不需要在電路中加裝任何序列元件。雖然SCR的正向電壓降幅(Vf)略高於整流器二極體，不過定值電阻或NTC等電路限制元件不會出現電壓降幅。不僅如此，SCR 中功耗所產生的熱能可經由散熱器導出至底板，這對於NTC而言則無法辦到。將熱能導出後，運作溫度便會降低，使得系統可靠性或MTBF數值提高。
我們必須選擇輔助繞組的匝數比，以確保產生在所有指定線路電壓限制下都能觸發SCR閘極的足夠電壓。閘極觸發的時間通常不重要，因為PFC電路的切換頻率一般遠大於線路頻率。頻率只有40 kHz的PFC電路可確實達到SCR過零切換，使得SCR的運作就像是橋接器中的簡單整流器。
交錯式PFC設計的優點
圖3顯示德州儀器所推出業界首款單晶片雙相交錯式前穩壓器UCC28070的簡易電路圖。以180o分別交錯兩個相位可消除漣波，因此便能夠使用較小型的電磁波干擾(EMI)濾波器及較小型的PFC輸出電容，這些較小型的雙相交錯式拓樸元件相當適用於嵌入式馬達驅動電路，而交錯式PFC可達到極高功率密度與降低元件高度等需求。
交錯式設計的另一項優點是讓散熱管理更簡便，因為功耗所產生的熱能在兩個相位之間散出。相較於單一階段設計，採用這個做法會因為使用較小型EMI 濾波器而降低整體系統成本，並且縮小PFC輸出電容大小，而且兩個相位的電感總容量所需的磁性材料也會減少。此外，MOSFET和二極體的額定電流至少可降低50%。較小型MOSFET本身的切換速度較快，因此更能夠減少MOSFET的切換耗損。而體積縮小後，各個相位的裝置依然發揮加倍的功率成效。
UCC28070是以持續傳導模式(CCM)進行運作。德州儀器另外也推出轉換模式(TM)的UCC28060以供使用，它同樣能夠達到消除漣波的功效，但是所需的成本更低。更特別地是，它採用了低成本的升壓二極體，其原因在於，以轉換模式進行運作時不會出現反向恢復狀況。
若要在UCC28070或本身的設計中加入湧入元件，只需要將圖3的湧入元件加入到其中的相位電感即可。
德州儀器PFC控制器產品包含UCC28070或UCC28060交錯式PFC控制器等裝置，其中都有額外的功能區塊，這個區塊能夠監視PFC控制器的輸入和輸出兩端。如果這個區塊發現有湧入狀況，例如線路電壓短暫漏失，便會更動閘極驅動輸出，以阻止MOSFET切換和關閉SCR閘極驅動電路的電源，這自然會使湧入元件回復到高電流路徑中。
結語
進行家電用品的系統整合時，許多設計人員都偏好使用替代方式，其中某些設計人員喜歡採用可執行多項應用功能的裝置，以減少系統複雜度，並快速上市時程。舉例來說，德州儀器推出的C2000數位訊號控制器(DSC)可取代傳統用於動作控制的微控制器，而其中更包含磁場導向控制之類的進階馬達控制演算法，這可提升較小型電力電子產品的效率。除了適用於交錯式之類的多種 PFC拓樸外，C2000 DSC也可以同時進行所有必要的三相馬達控制功能、處理系統內部通訊、提供使用者介面，並提供上述的湧入電流限制控制，這些完全都能夠以單一C2000數位訊號處理器(DSP)來完成。
在受到新規範影響的許多消費性產品當中，也包括家電用品，例如空調機、冰箱、洗衣機和乾衣機，這類產品都因為使用電動馬達驅動的反相器而具有複雜的電力負載。原則上，複雜負載的功率因素一般都不高。在規定這些電器用品必須經過功率因素校正(PFC)後，可以達到更有效的傳輸線電源輸送，以節省能源，並降低用電成本與燃燒化石燃料所排放的二氧化碳量。目前世界有許多國家的政府機關針對這類應用訂定類似的PFC規定。
限制湧入電流的重要性與做法
不具PFC的電動馬達驅動電路前端，其外觀如同裝有大量儲存電容的開關模式電源供應器(SMPS)一般，此電容會將經過整流的主要DC電源平順地輸出。剛開始針對馬達驅動電路供電時，主要電源輸入看似短路，原因是大電容(bulk capacitor)無電可用。在供應電源時，這個狀況會造成高湧入電流進入電容。如果高湧入電流未受控制或限制，從線路湧入的電流會突增到高於一般 RMS 操作電流的程度。這些過量的電流可能會損壞或威脅到機械和電子元件，包括保險絲、焊點或電子組件等。
大多數家電用品馬達製造商都運用負溫度係數電阻(NTC)來限制湧入電流。NTC的運作相當簡單，在溫度較低或剛開始啟動的狀況下，NTC會成為高阻抗裝置，並能有效地限制電流。在啟動後或進入正常運作狀態一陣子後，NTC會因為功耗所產生的熱能而使溫度升高。當溫度持續升高時，它的阻抗效果會顯著降低，因此更適於電流通過。在大多數嵌入式馬達驅動電路中，NTC位在AC端或緊鄰橋式整流器後的高電流路徑上。
採用NTC的做法本身有些缺點，會影響嵌入式馬達驅動的可靠性。如前所述，NTC的效率與溫度有關。溫度上升時，效能便隨之提高。NTC不能將熱能導出，否則無法達到預期的運作效果。功耗所產生的熱能會使周圍的環境溫度上升，而影響到附近的其他半導體元件。在嵌入式環境中，這個問題更為嚴重。只要上升10oC，就會減損半導體應有的使用壽命，甚至使得平均失效間隔時間(MTBF)減半，因此嚴重降低嵌入式馬達驅動的可靠性。
NTC本身的另一項主要問題是熱質量或時間響應。如果主要電源的電壓短暫降低，或者長時間嚴重斷電，造成大電容無電可用，便會發生問題。當線路電壓恢復時，NTC可能沒有足夠的時間降低溫度，而仍處於低電阻狀態。此時與線路恢復有關的湧入電流允許高於一般狀況的突增電流湧入，甚至高於剛開始啟動時的電流。在這種情況下，毫無任何防護可言。這些過高的電流會損壞動力系統元件，包括保險絲、焊點、訊號線或電流流經的所有元件。
在馬達電路剛開始通電時，電流會經過湧入電阻而湧入橋式整流器，經過湧入電阻限制的電流繼續流向大電容。經過一段通常由PFC控制器電路決定的時間後，便會開始運作。在啟動時，PFC控制器會開始切換電源MOSFET，這便會開始以脈衝輸送升壓電感中的電流。這個脈衝電流會接著在輔助繞組產生浮動的未調節電壓，以觸發兩個SCR的閘極。兩個SCR在電路中的位置所形成的電流路徑，正好略過橋式整流器的兩個整流器和湧入電阻。這條路徑是相當有效的電流路徑，完全不需要在電路中加裝任何序列元件。雖然SCR的正向電壓降幅(Vf)略高於整流器二極體，不過定值電阻或NTC等電路限制元件不會出現電壓降幅。不僅如此，SCR 中功耗所產生的熱能可經由散熱器導出至底板，這對於NTC而言則無法辦到。將熱能導出後，運作溫度便會降低，使得系統可靠性或MTBF數值提高。
我們必須選擇輔助繞組的匝數比，以確保產生在所有指定線路電壓限制下都能觸發SCR閘極的足夠電壓。閘極觸發的時間通常不重要，因為PFC電路的切換頻率一般遠大於線路頻率。頻率只有40 kHz的PFC電路可確實達到SCR過零切換，使得SCR的運作就像是橋接器中的簡單整流器。
交錯式PFC設計的優點
圖3顯示德州儀器所推出業界首款單晶片雙相交錯式前穩壓器UCC28070的簡易電路圖。以180o分別交錯兩個相位可消除漣波，因此便能夠使用較小型的電磁波干擾(EMI)濾波器及較小型的PFC輸出電容，這些較小型的雙相交錯式拓樸元件相當適用於嵌入式馬達驅動電路，而交錯式PFC可達到極高功率密度與降低元件高度等需求。
交錯式設計的另一項優點是讓散熱管理更簡便，因為功耗所產生的熱能在兩個相位之間散出。相較於單一階段設計，採用這個做法會因為使用較小型EMI 濾波器而降低整體系統成本，並且縮小PFC輸出電容大小，而且兩個相位的電感總容量所需的磁性材料也會減少。此外，MOSFET和二極體的額定電流至少可降低50%。較小型MOSFET本身的切換速度較快，因此更能夠減少MOSFET的切換耗損。而體積縮小後，各個相位的裝置依然發揮加倍的功率成效。
UCC28070是以持續傳導模式(CCM)進行運作。德州儀器另外也推出轉換模式(TM)的UCC28060以供使用，它同樣能夠達到消除漣波的功效，但是所需的成本更低。更特別地是，它採用了低成本的升壓二極體，其原因在於，以轉換模式進行運作時不會出現反向恢復狀況。
若要在UCC28070或本身的設計中加入湧入元件，只需要將圖3的湧入元件加入到其中的相位電感即可。
德州儀器PFC控制器產品包含UCC28070或UCC28060交錯式PFC控制器等裝置，其中都有額外的功能區塊，這個區塊能夠監視PFC控制器的輸入和輸出兩端。如果這個區塊發現有湧入狀況，例如線路電壓短暫漏失，便會更動閘極驅動輸出，以阻止MOSFET切換和關閉SCR閘極驅動電路的電源，這自然會使湧入元件回復到高電流路徑中。
結語
進行家電用品的系統整合時，許多設計人員都偏好使用替代方式，其中某些設計人員喜歡採用可執行多項應用功能的裝置，以減少系統複雜度，並快速上市時程。舉例來說，德州儀器推出的C2000數位訊號控制器(DSC)可取代傳統用於動作控制的微控制器，而其中更包含磁場導向控制之類的進階馬達控制演算法，這可提升較小型電力電子產品的效率。除了適用於交錯式之類的多種 PFC拓樸外，C2000 DSC也可以同時進行所有必要的三相馬達控制功能、處理系統內部通訊、提供使用者介面，並提供上述的湧入電流限制控制，這些完全都能夠以單一C2000數位訊號處理器(DSP)來完成。
