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利用开关器件提高PFC效率的实现分析
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2017-12-12
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为了满足能源之星（ENERGY STAR）等规范的要求以及消费者降低碳排放的愿望，功率电子产品设计团队正在不断努力提高系统效率，以求尽量接近额定100%效率的终极目标。此外，目前调节器实际上需要在电源第一级采用功率因数校正（Power Factor Correction，PFC），以尽量提高功率因数（PF），减少电力线的损耗。功率因数的大小与电路的负荷性质有关，如白炽灯泡、电阻炉等电阻负荷的功率因数为1，一般具有电感性负载的电路功率因数都小于1.功率因数是电力系统的一个重要的技术数据。功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大，从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。所以，供电部门对用电单位的功率因数有一定的标准要求。
方法之一就是运用被动PFC的低成本解决方案，但是这一方案需要一个笨重的大体积LC滤波器。主动PFC广泛用于减少系统滤波器电感线圈的尺寸与重量。因此，增加效率与功率密度是主动PFC方案的关键设计因素。对于大功率交-直流变换器来说，连续传导模式（CCM）升压型主动PFC拓扑结构更受欢迎。与非连续传导模式（DCM）和临界传导模式CRM）不同的是，CCM PFC产生的波纹电流更小，可简化EMI滤波器设计以及保持小负荷下的稳定性。因此CCM PFC不仅广泛用于服务器与远程通信的电源供给，而且可用于平面显示器的电源供给。
按照功率变换器PFC改善功率密度的设计趋势，设计人员必须减少系统损耗与整个系统的尺寸、重量，或者增加开关频率，集成有源元件。
一种新型的MOSFET/二极管组合可以实现较高的功效，减少开关损耗。并且通过降低MOSFET的导通电阻，提高其开关速度完成CCM PFC控制器的设计。上述性能的改善，都离不开一种具有低反向恢复电荷（QRR）的SiC肖特基二极管。下面在一个400W CCM PFC应用当中，将其与常用的硅Si二极管/平面型MOSFET的组合方式进行比较，可看出本文所述MOSFET/二极管组合的优点。
与DCM升压电感的恒流相比，CCM下的PFC具备更多优势。通过EMI滤波的电流要比DCM或CRM中小得多，因此这些优势在大功率设计中更为明显。在一般情况下，MOSFET的功率损耗通常由它的开关损耗决定，事实上开关损耗是由分立升压二极管的反向回缩特性所引起的，而上述这个根源取决于工作电流与二极管温度。这些因素导致了二极管与MOSFET功率损耗的增加，进而影响到变流器的性能。
图1与图2所示为CCM PFC的工作情况，包括电流和电压波形，可看出低QRR对PFC二极管的重要性。一开始，二极管D1引入输入电流，同时还有二极管中的少量积累电荷。在开关导通的过程中，MOSFET M1导通，二极管D1关断。巨大的导通电流流过MOSFET，除了经整流的输入电流以外还包括D1的反向恢复电流与放电电流。一般情况下，电流的变化率通过M1的封装电感及其他存在于外部回路的寄生电感进行限制。二极管电流波形的负值区域便是反向恢复电荷QRR，其中时间间隔长度（t0到t2）是反向恢复时间tRR.在t0与t1之间时，二极管保持正向偏置，因此MOSFET电压为VOUT+VF.在t1时间，p-n结附近的积累电荷被耗尽。二极管反向电流持续存在，直至消除所有残留的少量积累电荷。在t2时间，这些电流基本上为零，二极管在反向偏置条件下达到稳态。［1］这些由硅Si二极管反向恢复特性所引起功率损耗，限制了CCM PFC的功效与开关频率。
方法之一就是运用被动PFC的低成本解决方案，但是这一方案需要一个笨重的大体积LC滤波器。主动PFC广泛用于减少系统滤波器电感线圈的尺寸与重量。因此，增加效率与功率密度是主动PFC方案的关键设计因素。对于大功率交-直流变换器来说，连续传导模式（CCM）升压型主动PFC拓扑结构更受欢迎。与非连续传导模式（DCM）和临界传导模式CRM）不同的是，CCM PFC产生的波纹电流更小，可简化EMI滤波器设计以及保持小负荷下的稳定性。因此CCM PFC不仅广泛用于服务器与远程通信的电源供给，而且可用于平面显示器的电源供给。
按照功率变换器PFC改善功率密度的设计趋势，设计人员必须减少系统损耗与整个系统的尺寸、重量，或者增加开关频率，集成有源元件。
一种新型的MOSFET/二极管组合可以实现较高的功效，减少开关损耗。并且通过降低MOSFET的导通电阻，提高其开关速度完成CCM PFC控制器的设计。上述性能的改善，都离不开一种具有低反向恢复电荷（QRR）的SiC肖特基二极管。下面在一个400W CCM PFC应用当中，将其与常用的硅Si二极管/平面型MOSFET的组合方式进行比较，可看出本文所述MOSFET/二极管组合的优点。
与DCM升压电感的恒流相比，CCM下的PFC具备更多优势。通过EMI滤波的电流要比DCM或CRM中小得多，因此这些优势在大功率设计中更为明显。在一般情况下，MOSFET的功率损耗通常由它的开关损耗决定，事实上开关损耗是由分立升压二极管的反向回缩特性所引起的，而上述这个根源取决于工作电流与二极管温度。这些因素导致了二极管与MOSFET功率损耗的增加，进而影响到变流器的性能。
图1与图2所示为CCM PFC的工作情况，包括电流和电压波形，可看出低QRR对PFC二极管的重要性。一开始，二极管D1引入输入电流，同时还有二极管中的少量积累电荷。在开关导通的过程中，MOSFET M1导通，二极管D1关断。巨大的导通电流流过MOSFET，除了经整流的输入电流以外还包括D1的反向恢复电流与放电电流。一般情况下，电流的变化率通过M1的封装电感及其他存在于外部回路的寄生电感进行限制。二极管电流波形的负值区域便是反向恢复电荷QRR，其中时间间隔长度（t0到t2）是反向恢复时间tRR.在t0与t1之间时，二极管保持正向偏置，因此MOSFET电压为VOUT+VF.在t1时间，p-n结附近的积累电荷被耗尽。二极管反向电流持续存在，直至消除所有残留的少量积累电荷。在t2时间，这些电流基本上为零，二极管在反向偏置条件下达到稳态。［1］这些由硅Si二极管反向恢复特性所引起功率损耗，限制了CCM PFC的功效与开关频率。
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