基于600V CoolMOS™ S7的有源桥子卡：高效PFC解决方案

在当今的开关电源（SMPS）设计中，提升效率和功率密度同时优化成本是一个关键趋势。不同的SMPS有着各种各样的效率要求，如80 PLUS或EuP标准。对于白金级电源，在高线电压下需达到94%以上的峰值效率，低线电压下则为92%；钛金级设计的这两个数值更是分别提高到96%和94%。那么，如何在不显著影响设计、复杂度和成本的前提下，提高功率因数校正（PFC）阶段的效率呢？英飞凌的600V CoolMOS™ S7有源桥子卡或许是一个不错的选择。

文件下载：KITACTBRD60R022S7TOBO1.pdf

1. 解决方案概述

1.1 核心产品

英飞凌推出的有源桥子卡KIT_ACT_BRD_60R022S7，旨在替代标准PFC转换器中的二极管桥，从而提升PFC效率。该子卡有不同的变体，包括安装22mΩ、40mΩ和65mΩ CoolMOS™ S7的版本。

1.2 主要组件

• 同步整流（SR）控制器（IR11688S）：用于精确控制MOSFET的开关。
• 600V CoolMOS™ S7 SJ MOSFET（IPT60R022S7）：具备低导通电阻，降低导通损耗。
• 快速双通道功能隔离栅极驱动器（2EDF7275F）：确保MOSFET的快速开关。

1.3 规格参数

• 输入电压：85 - 265V AC
• CoolMOS™ S7 (R_{DS(on)})：22mΩ
• 控制和驱动器电源电压：12V

2. 硬件设计

2.1 物理尺寸

有源桥子卡尺寸为35mm长、6mm宽、30.5mm高，与标准二极管桥整流器的尺寸（20mm x 30mm x 4.6mm）相当。

2.2 引脚设计

子卡有五个引脚，分别为交流输入（Line和Neutral）、整流输出（Positive和Negative）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，同时也用于为PFC控制和驱动阶段供电。

2.3 组件布局

• 底部：放置采用TO-leadless（TOLL）封装的功率器件和栅极电阻。
• 顶部：安装控制器（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网络和小信号晶体管，以扩展控制器的电压能力。

3. 控制方法

3.1 控制原理

有源桥的控制直观易懂。在交流电源的正半周期，Q1和Q4导通，其他MOSFET关闭；在负半周期，Q3和Q2导通，其余关闭。所有MOSFET都以“反向模式”或“二极管模式”导通，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。

3.2 控制方式

• 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缩放）与固定参考电压阈值进行比较，获得每个MOSFET的控制信号。这种方法的导通时间取决于输入电压水平。
• 感测MOSFET的(V_{DS})：通过感测每个低端MOSFET的(V_{DS})来获取电流信息。本有源桥子卡采用英飞凌的IR11688S控制器实现这种控制方式。

3.3 具体控制阶段

• 开启消隐时间：在每个有源全桥MOSFET的导通阶段开始时，MOSFET仍处于关闭状态，电流通过体二极管流动，产生负的(V{DS})电压。当(V{DS})低于开启阈值(V{TH 2})（约 - 230mV）超过(T{Don})（约150ns）时，MOSFET的栅极被驱动为高电平，(V_{DS})迅速降低。此消隐时间可避免在不连续导通模式（DCM）操作中因高频振铃而误触发。
• 最小导通时间：栅极开启时的电压下降通常伴有振铃，可能导致输入比较器快速关闭栅极驱动。最小导通时间（MOT）消隐期可防止这种情况发生，对于50/60Hz的固定频率PFC应用，MOT应设置为尽可能高的值。
• 调节阶段：在MOT结束后，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，弱下拉逐渐使有源桥MOSFET输入电容上的栅极电压放电。随着栅极电压下降，MOSFET进入线性区域，(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})。这种调节过程可防止因PCB走线和MOSFET封装中的寄生电感导致的过早关断，减少SR MOSFET体二极管的导通时间，提高系统效率。
• 关断和复位：在开关周期结束时，导通整流电流降至零，(V{DS})电压越过关断阈值(V{TH 1})（约 - 4mV），栅极被驱动为低电平，关闭SR MOSFET。为防止(V{DS})再次越过(V{TH 2})导致误触发开启，关断后有一个消隐时间(t{DBLANK})（约15µs）。只有当(V{DS})超过正阈值(V{TH 3})（约1.18V）超过复位消隐时间(t{BRST})（约400ns）时，IR11688S才会复位，为下一个导通周期做好准备。

4. 实验结果

4.1 稳态波形

在独立设置中测试有源桥子卡的稳态行为，将交流发电机直接连接到子卡的AC1和AC2引脚，并在输出引脚V +和V -上连接约160Ω的电阻负载。实验记录了高线电压下PFC运行时有源桥低端互补驱动信号的稳态波形。

4.2 控制参数优化

通过调整源电压电平转换器（(V{s})），可以提前或推迟有源桥MOSFET的开启和关闭时间。例如，当(V{s})为36mV（对应(V{CC})为11.5V）时，Q3 MOSFET在电流过零点附近关闭；当(V{s})增加到44mV（对应(V_{CC})为14V）时，Q3的关断推迟，Q4的开启提前，死区时间从300µs减少到150µs。

4.3 启动波形

将KIT_ACT_BRD_60R022S7安装在2400W CCM PFC演示板EVAL_2K4W_ACT_BRD_S7上，在轻载下测试PFC启动时有源桥的行为。结果表明，有源桥仅在PFC开始提升电流以达到目标输出电压时才被激活，轻载时不再触发。

4.4 效率测量

在2400W CCM PFC演示板上进行效率测量，通过直流电子负载改变负载，PFC将输出电压保持在约390V DC。与标准二极管桥相比，22mΩ有源桥在约50%输出功率时分别达到98.6%（此处文档可能有误，前文提到是97.3%）的峰值效率。在几乎所有负载条件下，PFC效率都高于98%，与二极管解决方案相比，效率提升在0.4 - 0.5%之间。

4.5 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期测试。测试在标称输入电压（230V AC）和最小输入电压（90V AC）下进行。结果显示，有源桥在1200W/90V时温度最高达到55°C，与无源桥相比降低了17°C；在高线电压下，有源桥最高温度为44°C，降低了14°C。

5. 总结

有源桥线路整流电路能够在整个功率范围内提高SMPS的效率和功率密度。该解决方案具有灵活的设计，可根据不同应用的效率要求选择不同的子板MOSFET (R_{DS(on)})，而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效率提升结果，同时还提供了参考电路的原理图，方便工程师进行设计和制造。

你是否在设计PFC电路时遇到过效率提升的难题？英飞凌的这款有源桥子卡是否能为你的设计带来新的思路呢？欢迎在评论区分享你的看法和经验。