600V CoolMOS™ S7有源桥子卡：提升PFC效率的利器

一、引言

近年来，开关模式电源（SMPS）的发展趋势是在优化成本的同时提高效率和功率密度。各种SMPS都有不同的效率要求，如80 PLUS或EuP标准。以白金级和钛金级电源为例，白金级PSU在高线电压下峰值效率需高于94%，低线电压下高于92%；钛金级则分别要达到96%和94%。而且，部分客户还会根据系统运行条件制定更严格的效率要求。

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电源供应单元（PSU）的整体效率取决于功率因数校正（PFC）和DC - DC阶段的效率。对于固定的PSU效率目标，提高PFC性能就能放宽DC - DC转换器的要求，反之亦然，这也会影响系统的整体成本。那么，对于每个PSU制造商来说，如何在这两个阶段找到最佳平衡呢？

一个简单有效的方法是用600V CoolMOS™ S7制成的有源桥替换传统的二极管桥，这样能在不影响设计、复杂度和PFC成本的前提下，提高整个负载和电压范围内的PFC效率。

二、套件概述

2.1 硬件描述

有源桥子卡的尺寸为35mm长、6mm宽、30.5mm高，与标准二极管桥整流器（20mm x 30mm x 4.6mm）大小相近。子卡有五个引脚，分别是交流输入的火线（AC1）和零线（AC2）、整流输出的正极（V +）和负极（V -）以及偏置电源输入（(V_{CC})）。偏置电源电压为12V，由PFC主板或应用提供，同时也为PFC控制和驱动阶段供电。

子卡集成了功率器件和控制/驱动组件，实现了高功率密度设计。采用TO - leadless（TOLL）封装的功率器件与栅极电阻一起放置在底部，顶部则放置了控制器（IR11688S）和高端MOSFET驱动器（2EDF7275F）。此外，还有用于高端MOSFET驱动的自举R - C - D网络和SOT - 223封装的小信号晶体管，以扩展控制器的电压能力。

2.2 有源桥控制方法

有源桥用于线路整流的控制原理很直观。在市电正半周期，Q1和Q4导通，其他MOSFET截止；在负半周期，Q3和Q2导通，其他截止。所有MOSFET都以“反向模式”或“二极管模式”导通，即电流从源极流向漏极。有源桥的目的是接管二极管的导通，以降低导通损耗，提高效率。

控制有源桥开关有两种方法：

1. 测量输入电压(V_{AC})：通过将瞬时输入电压（通过电阻分压器适当降压）与固定参考电压阈值进行比较，获得每个MOSFET的控制信号。分压器电阻应足够大，以减少静态损耗，尤其是在高线输入时。这种方法下，控制信号的导通时间强烈依赖于输入电压水平，低线输入时导通时间较短。
2. 检测MOSFET的(V_{DS})电压降：通过检测每个低端MOSFET的(V_{DS})，获取流经MOSFET的电流信息。这种方法常用于次级侧同步整流（SR）控制器，在高效降压DC - DC转换器中广泛应用。本有源桥子卡采用英飞凌的IR11688S控制器实现这种控制方法。

2.2.1 导通消隐时间

当每个有源全桥MOSFET开始导通时，MOSFET仍处于截止状态，电流先通过体二极管流动，产生负的(V{DS})电压。当(V{DS})低于导通阈值(V{TH 2})（约 - 230mV）且持续时间超过(T{Don})（约150ns）时，相应MOSFET的栅极被驱动为高电平，(V{DS})迅速降至(I{D} * R{DS{ON}})。如果在(T{Don})超时前(V{DS})上升超过(V_{TH 2})，内部延迟定时器将重置。导通消隐时间代表体二极管的导通时间，可避免在不连续导通模式（DCM）操作中因高频振铃导致的误触发。

2.2.2 最小导通时间

栅极导通时的电压降通常会伴随着一些振铃，可能会触发输入比较器迅速关闭栅极驱动。最小导通时间（MOT）消隐期可防止这种情况发生。对于固定频率50/60Hz的PFC应用，MOT应设置为尽可能高的值，例如通过调整图7中的R15，(T{MOT }=R{MOT } 2 10^{-11}+20 ns ≈2 us)。

2.2.3 调节阶段

在MOT结束时，栅极输出不再被驱动为高电平，而是变为高阻抗状态。当(V{DS})低于调节阈值(V{THR})（约 - 40mV）时，弱下拉电路逐渐释放有源桥MOSFET输入电容上的栅极电压。随着栅极电压下降，MOSFET沟道电阻增加，进入线性区域，导致(V{DS})再次超过(V{THR})，弱下拉停止，直到导通电流下降到(V{DS})再次低于(V{THR})。这个调节过程会持续进行，延长导通时间，直到电流降至很低水平，从而减少SR MOSFET体二极管的导通时间，提高系统整体效率。

2.2.4 关断和复位

在开关周期结束时，整流电流降至零，(V{DS})电压会越过关断阈值(V{TH 1})（约 - 4mV），此时栅极被驱动为低电平，SR MOSFET关断。任何残留电流会再次通过体二极管流动，导致(V{DS})出现负阶跃。为防止再次导通，关断后会有一个消隐时间(t{DBLANK})（约15µs），只有当(V{DS})越过正阈值(V{TH 3})（约1.18V）且持续时间超过复位消隐时间(t_{BRST})（约400ns）时，才能重置。这可以防止关断阶段后振铃引起的误触发。

2.3 板卡规格

参数	规格
输入电压范围	85至265Vrms
低线标称输入电压	115Vrms
高线标称输入电压	230Vrms
交流线路频率范围	45至65Hz
最大环境温度	40°C
最大输出功率	2400W（参考PFC板）
偏置电压	12V

三、实验结果

3.1 稳态波形

在独立设置中，将交流发电机直接连接到板卡的AC1和AC2引脚，输出引脚V +和V -连接约160Ω的电阻负载，测试有源桥子卡的稳态行为。图9和图10分别展示了高线（230V AC）和低线（115V AC）PFC运行时有源桥低端互补驱动信号、输入电流和电压以及PFC输出电压的稳态波形。

3.2 控制参数优化

源电压电平移动器可用于提前或推迟有源桥MOSFET的导通/关断。通过调整(V{CC})电压改变(V{s})电平。当(V{s})为36mV（对应(V{CC})为11.5V）时，Q3 MOSFET在电流过零点附近关断，互补MOSFET Q4在300µs后导通；当(V{s})增加到44mV（对应(V{CC})为14V）时，Q3 MOSFET的关断被推迟，Q4的导通提前，死区时间减少到150µs。

3.3 效率测量

将KIT_ACT_BRD_60R040S7安装在2400W CCM PFC演示板EVAL_2K4W_ACT_BRD_S7上进行效率测量。通过直流电子负载改变负载，PFC将输出电压保持在约390V DC。结果表明，40mΩ有源桥在输出功率约50%时达到97.1%的峰值效率。在几乎所有负载条件下，使用KIT_ACT_BRD_60R040S7的PFC效率都高于98%，与二极管解决方案相比，在最大负载的一半范围内保持约0.4%的效率提升。

3.4 温度测量

在EVAL_2K4W_ACT_BRD_S7板的主要器件（如有源桥和标准二极管桥）上安装热电偶进行长时间测试。测试在标称输入电压（230V AC）和最小输入电压（90V AC）下进行。有源桥在1200W/90V时温度达到最高62°C，与无源桥相比低10°C；在高线时，有源桥最高温度为54°C，比无源桥低5°C。

四、总结

有源桥线路整流电路能在整个功率范围内提高开关模式电源的效率和功率密度。它具有灵活的设计，可根据不同应用的效率要求选择不同(R_{DS(on)})的子卡MOSFET，无需进行其他电路修改。本文记录了稳态波形，并说明了如何根据应用调整控制参数。在2400W PFC中展示了启动波形和有源桥线路整流的效率提升结果。同时，还提供了参考电路的原理图，方便读者设计和制造有源桥线路整流板。

五、资料附录

5.1 原理图


5.2 PCB布局

 top, b) second, c) third and d) bottom layers)

5.3 物料清单（BOM）

设计编号	注释	值	公差	电压	描述
C1, C3	SMD	4.7 µF	X7R	25 V	陶瓷电容器
C2	SMD	22 nF	X7R	50 V	陶瓷电容器
C4	SMD	1 µF	X7R	25 V	陶瓷电容器
C5, C6	SMD	560 nF	X7R	25 V	陶瓷电容器
D1, D2	SMD	MURS360BT3G		600 V	标准二极管
IC1	SMD	2EDF7275F			集成电路
IC2	SMD	IR11688S			集成电路
Q1, Q2, Q3, Q4	SMD	IPT60R040S7		600 V	N沟道MOSFET
R1, R2, R5, R6	SMD	820 R	1%		电阻器
R12, R13	SMD	10 k	1%		电阻器
R3, R4, R7, R8, R14	SMD	47 k	1%		电阻器
R9, R10	SMD	47 R	1%		电阻器
R11	SMD	3 k	1%		电阻器
R15	SMD	100 k	1%		电阻器
R16	SMD	150 R	1%		电阻器
R17, R18	SMD	100 R	1%		电阻器
T1, T2	SMD	BSP300H6327XUSA1		800 V	N沟道MOSFET

5.4 参考文献

[1] “CCM PFC demo board with CoolMOSTM S7 for active line rectification and inrush current control” AN_1912_PL52_2002_103313.

大家在实际设计中是否遇到过类似的效率提升问题呢？对于有源桥子卡的应用，你还有哪些疑问或想法？欢迎在评论区留言讨论。