工程師面臨著設(shè)計(jì)具有更高效率和功率密度的AC-DC電源的壓力，同時(shí)滿足電源諧波發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)。“圖騰柱”功率因數(shù)校正級(jí)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵工具，但使用寬帶隙半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，在優(yōu)化控制、柵極驅(qū)動(dòng)、EMC、熱管理等方面存在挑戰(zhàn)。因此，使用SiC或GaN可以花費(fèi)大量的時(shí)間和精力來(lái)獲得通常令人失望的結(jié)果。

本文介紹了一種多級(jí)圖騰柱PFC拓?fù)洌撏負(fù)淅霉?a href="http://www.1cnz.cn/tags/mosfet/" target="_blank">MOSFET的簡(jiǎn)單性和成熟度以及一種新穎的模塊化柵極驅(qū)動(dòng)方法，實(shí)現(xiàn)了與使用寬帶隙半導(dǎo)體的傳統(tǒng)電路相比，通常具有相當(dāng)?shù)男屎透偷某杀尽?/p>

聚碳化物拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的演變

從2001年開(kāi)始，歐洲的電源制造商看到了其行業(yè)的巨變，強(qiáng)制要求滿足歐洲“EMC指令”的一部分標(biāo)準(zhǔn)EN 61000-3-2。該標(biāo)準(zhǔn)限制了注入回交流線路的諧波電流，用于最大額定電流為16A的設(shè)備，強(qiáng)制要求功率因數(shù)校正。該要求現(xiàn)在是全球性的，例如美國(guó)的“能源之星”指南，設(shè)定了類似的標(biāo)準(zhǔn)。

在較高功率電平下實(shí)現(xiàn)一致性的實(shí)用方法是使用有源PWM電路，該電路迫使繪制的線路電流接近正弦。雖然轉(zhuǎn)換級(jí)可以采取不同的形式，但首選“升壓”轉(zhuǎn)換器，因?yàn)樗梢怨ぷ鞯降洼斎虢涣麟妷翰a(chǎn)生穩(wěn)定的高壓軌，其中可以有效地存儲(chǔ)穿越能量。該“升壓PFC”級(jí)最初采用線橋整流器和升壓拓?fù)涞男问剑瑘D1（左）。隨著對(duì)更高效率的需求，例如在能源之星“80+”方案中，電路變得不可行，動(dòng)力傳動(dòng)系中任何時(shí)候都導(dǎo)通的三個(gè)整流器的損耗過(guò)高，特別是在低線路下。提出的解決方案是“圖騰柱無(wú)橋PFC”（TPPFC）拓?fù)鋱D1（中間），其中轉(zhuǎn)換分為兩個(gè)半波整流階段。升壓開(kāi)關(guān)和由 Q1 和 Q2 交換形成的同步二極管在交流輸入的交替極性上起作用。D1和D2以線路頻率導(dǎo)通，因此動(dòng)態(tài)損耗微不足道，但如圖1（右）所示，它們可以被同步整流器Q3和Q4取代，以逐步改善傳導(dǎo)損耗。Q3 和 Q4 稱為“慢速”開(kāi)關(guān)支路，Q1 和 Q2 稱為“快速”支路，以高頻方式切換。控制很復(fù)雜，只有有限的專用控制器選擇，無(wú)論是模擬還是數(shù)字，但通過(guò)優(yōu)化電感器和適當(dāng)?shù)臒峁芾恚梢员ＷC良好的結(jié)果。

圖 1.從左到右 - 簡(jiǎn)單的升壓PFC，圖騰柱PFC和完全同步版本。圖片由博多的電力系統(tǒng)提供 ［PDF］

根據(jù)器件選擇的不同，存在任意的低壓降和傳導(dǎo)損耗，但TTPFC電路被證明不適合在高頻和高功率下使用硅超結(jié)MOSFET用于快速支路。這是因?yàn)樵撏負(fù)渫ǔＴ诟吖β仕较乱赃B續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）工作，以實(shí)現(xiàn)可管理的峰值電流。然而，這會(huì)導(dǎo)致“硬”開(kāi)關(guān)，其中Q1和Q2的體二極管被迫導(dǎo)通。當(dāng)它們隨后被正向偏置時(shí)，硅SJ-MOSFETS的高回收能量會(huì)在高開(kāi)關(guān)頻率下導(dǎo)致過(guò)度損耗，如果保持低頻率進(jìn)行補(bǔ)償，則電感器尺寸和成本是不可接受的。

世行集團(tuán)交換機(jī)承諾提供解決方案，但。..

寬帶隙（WBG）半導(dǎo)體被譽(yù)為該問(wèn)題的答案，SiC具有低反向恢復(fù)電荷（Qrr），而GaN實(shí)際上沒(méi)有。不過(guò)，這些器件確實(shí)存在缺點(diǎn)，特別是與Si-MOSFET相比，單位成本。SiC體二極管速度很快，但仍然具有恢復(fù)電荷和一個(gè)高正向壓降（約3V）。SiC MOSFET仍然可能存在閾值不穩(wěn)定問(wèn)題，需要在制造過(guò)程中以一定的成本進(jìn)行篩選，并且柵極驅(qū)動(dòng)需要大約18V才能完全增強(qiáng)，通常接近絕對(duì)最大額定值。GaN器件具有低得多的柵極閾值，使其容易受到噪聲的影響，并且具有僅約7V的低絕對(duì)最大柵極電壓。柵極驅(qū)動(dòng)至關(guān)重要，并且沒(méi)有柵極氧化物，因?yàn)槌^(guò)閾值，柵極電流會(huì)流動(dòng)，必須加以控制。GaN HEMT電池也沒(méi)有雪崩特性，因此過(guò)電壓意味著瞬間失效。

SiC和GaN都具有令人印象深刻的開(kāi)關(guān)速度，但在實(shí)際電路中，這使得PCB布局極其關(guān)鍵，并且必須減慢邊沿速率，以避免難以管理的EMI和寄生電感造成的破壞性電壓過(guò)沖。因此，在采用WBG器件的TPPFC應(yīng)用中，開(kāi)關(guān)頻率通常低于100kHz，這不僅是為了降低動(dòng)態(tài)損耗和提高效率，而且還將基波設(shè)置為CISPR22/32傳導(dǎo)EMI發(fā)射限值線的150kHz以下。由于它們列出的缺點(diǎn)，并且沒(méi)有WBG器件MHz開(kāi)關(guān)所具有的小電感器尺寸的好處，它們的吸引力有所降低，由于缺乏封裝標(biāo)準(zhǔn)化而加劇。

更好的多層次方式

還有一種替代方案 - 與WBG解決方案一樣高效，但成本更低，使用標(biāo)準(zhǔn)硅MOSFET - 多級(jí)TPFC（圖2）。

圖 2.多級(jí)圖騰柱PFC階段。圖片由博多的電力系統(tǒng)提供 ［PDF］

在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，兩個(gè)快速FET被兩組四個(gè)串聯(lián)的硅MOSFET取代，對(duì)于400 V DC輸出總線，每個(gè)FET的額定電壓僅為150 V，允許使用具有非常低導(dǎo)通電阻和二極管反向恢復(fù)電荷的多源器件，從而產(chǎn)生與WBG解決方案相當(dāng)?shù)目傮w損耗。可以使用兩組兩個(gè)MOSFET，但這些FET都需要額定電壓為300 V，這并不常見(jiàn)，因此形成復(fù)合器件的兩個(gè)串聯(lián)連接的MOSFET（例如Q1和Q2）一起被驅(qū)動(dòng)。支路中的開(kāi)關(guān)分為兩組：Q1、Q2、Q7、Q8 和 Q3、Q4、Q5、Q6，每組都以反相方式驅(qū)動(dòng)。當(dāng) Q1 和 Q2 打開(kāi)時(shí)，Q7 和 Q8 關(guān)閉，反之亦然。同樣，Q5 和 Q6 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是 Q3 和 Q4 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的反相版本。MOSFET Q3 和 Q4（類似 Q5 和 Q6）的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)序是 Q1 和 Q2（類似 Q7 和 Q8）的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)序，延遲了半個(gè)開(kāi)關(guān)周期。輸入電流和輸出總線電壓的調(diào)節(jié)是通過(guò)在不同的占空比（例如，在 Q1/Q2 和 Q3/Q4 之間）對(duì) MOSFET 組進(jìn)行相移調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的（圖 3）。

圖 3. 線路電流整形和輸出電壓調(diào)節(jié)是通過(guò)對(duì)具有不同占空比的 MOSFET 驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行相移調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖片由博多的電力系統(tǒng)提供 ［PDF］

電感電流圖說(shuō)明了多電平方法的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì) - 與傳統(tǒng)的TPPFC相比，電感器可以看到兩倍的頻率和一半的電壓，或四分之一伏秒，這將電感尺寸減小到四分之一左右，從而帶來(lái)成本和重量?jī)?yōu)勢(shì)。通常，可以使用低成本的“森多斯特TM”內(nèi)核。低伏秒產(chǎn)品也降低了差分EMI，從而進(jìn)一步節(jié)省了EMI濾波器的尺寸和成本。

“飛線”電容 CFL 在 Q2/3 和 Q6/7 結(jié)之間保持一半的總線電壓，如有必要，可以通過(guò)另外兩個(gè)電容器和鉗位二極管來(lái)確保串聯(lián)對(duì)兩端的電壓平衡，這些電容器和鉗位二極管在正常工作時(shí)不會(huì)耗散功率。二極管 D1 和 D2 在啟動(dòng)時(shí)將 CBULK 浪涌電流從電感器中轉(zhuǎn)移出去，以避免導(dǎo)致高初始開(kāi)關(guān)電流的磁飽和。

優(yōu)化功率半導(dǎo)體和驅(qū)動(dòng)器

八個(gè)硅MOSFET和隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器可能看起來(lái)令人生畏，但耗散功率分布在整個(gè)器件中，因此它們可以很小且表面貼裝。例如，在3kW設(shè)計(jì)中，它們每個(gè)功耗可能只有2.5W，因此通常采用小型5mm x 6mm“SuperSO-8”封裝，并使用PCB焊盤(pán)作為散熱器。在兩級(jí)WBG實(shí)施中，熱量集中在可能需要引線的兩個(gè)設(shè)備的熱點(diǎn)中，例如TO-247，具有額外的裝配成本和可靠性問(wèn)題。

傳統(tǒng)上，柵極驅(qū)動(dòng)的選項(xiàng)包括笨重且昂貴的有源電路，這些電路需要光耦合器進(jìn)行隔離和隔離電源軌，通常是雙極性。在某些方案中，脈沖變壓器可以取代光電開(kāi)關(guān)，但同樣為了獲得最佳性能，這些通常之后是有源驅(qū)動(dòng)級(jí)。ICERGi 的 IC70001 器件采用纖巧的 2mm x 2mm U-DFN2020-6 封裝，可顯著降低尺寸、成本和復(fù)雜性。該驅(qū)動(dòng)器從內(nèi)部單穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生最佳的柵極驅(qū)動(dòng)波形，具有精確的傳播延遲，由外部變壓器的短脈沖觸發(fā)和關(guān)斷。脈沖的持續(xù)時(shí)間通常只有100ns，因此變壓器很小，匝數(shù)很少。它們可以方便地在轉(zhuǎn)換器 PCB 中作為平面類型實(shí)現(xiàn)，ICERGi 可以使用 EE 型 4 x 7mm 鐵氧體磁芯為合適的設(shè)計(jì)提供布局。由于MOSFET成對(duì)驅(qū)動(dòng)，因此實(shí)際上只需要四個(gè)變壓器。每對(duì)柵極的驅(qū)動(dòng)器仍必須相互隔離，但這是在具有獨(dú)立繞組的單變壓器上實(shí)現(xiàn)的，該繞組可以位于E-core的每個(gè)外側(cè)支腿上，從而實(shí)現(xiàn)所需的隔離爬電距離和間隙。變壓器的小尺寸和結(jié)構(gòu)也提供了低隔離電容，這是良好的DV/dt抗擾度所必需的。

優(yōu)化控制

獲得最高效率和可靠性取決于如何控制多級(jí)TPPFC級(jí)，并且在沒(méi)有專用IC的情況下，ICERGi開(kāi)發(fā)了專有固件，可在標(biāo)準(zhǔn)ARM Cortex-M0微控制器上運(yùn)行，具有最小的計(jì)算負(fù)載，以及一些指定的外部邏輯，執(zhí)行所有必要的功能：功率因數(shù)校正、輸出總線電壓的調(diào)節(jié)以及所有必要的參數(shù)檢測(cè)和保護(hù)功能。例如，除了“智能”過(guò)載、過(guò)壓和過(guò)熱監(jiān)控外，固件在啟動(dòng)和瞬態(tài)條件下直接控制跨接電容電壓，從而確保了MOSFET之間的電壓平衡，并且其額定值不超過(guò)。使用現(xiàn)成的微控制器可提供電源安全性，并且可以根據(jù)需要包括額外的功能，例如驅(qū)動(dòng)到“慢速”腿同步MOSFET門(mén)或通過(guò)通信接口進(jìn)行控制和監(jiān)視。

性能基準(zhǔn)測(cè)試

ICERGi在參考設(shè)計(jì)和演示板中通過(guò)其柵極驅(qū)動(dòng)器和控制固件證明了多級(jí)TPPFC方法的有效性。例如，額定功率為 3kW 的版本，輸入范圍為 85 VAC 至 265 VAC，對(duì)于包含 EMI 濾波和輔助電源的完整功能單元，可實(shí)現(xiàn)約 100/in3 的功率密度（圖 4）。該裝置的效率峰值約為 99.3%（圖 5），同時(shí)符合 IEC/EN 61000-3-2 線路電流諧波和 EN 55022/32 傳導(dǎo)發(fā)射限值，裕量為 10dB。

圖 4.ICERGi 的 3kW 參考設(shè)計(jì)，采用多電平 TPPFC 技術(shù)、硅-MOSFET 和 ICERGi 控制器和柵極驅(qū)動(dòng)器。圖片由博多的電力系統(tǒng)提供 ［PDF］

圖 5.圖4中參考設(shè)計(jì)的實(shí)測(cè)效率。圖片由博多的電力系統(tǒng)提供 ［PDF］

作為所述設(shè)計(jì)方法優(yōu)勢(shì)的總結(jié)，表1比較了使用Si SJ-MOSFET加SiC二極管的傳統(tǒng)方法的屬性，兩級(jí)GaN解決方案和多級(jí)ICERGi解決方案。也許最有說(shuō)服力的比較是BOM成本 - ICERGi的分析顯示，與GaN相比節(jié)省了33%，與SiC相比節(jié)省了25%，具有相當(dāng)?shù)男剩↖CERGi固件的許可費(fèi)。

表 1.TPPFC 方法之間的性能比較。圖片由博多的電力系統(tǒng)提供 ［PDF］

ICERGi還將控制器及其支持組件和柵極驅(qū)動(dòng)器封裝到各種“可插拔”模塊中，這些模塊可用于評(píng)估客戶設(shè)計(jì)中的技術(shù)。

結(jié)論

采用硅MOSFET的多級(jí)TPFC方法可以像WBG解決方案一樣高效，并且成本更低，而無(wú)需交錯(cuò)到至少3kW。通過(guò)使用低壓現(xiàn)成的Si-MOSFET消除了對(duì)昂貴的單源WBG設(shè)備的擔(dān)憂，ICERGi的自供電驅(qū)動(dòng)器是一種優(yōu)雅，低成本的解決方案。許可ICERGi固件允許設(shè)計(jì)人員使用商用ARM處理器作為控制器，從而消除了對(duì)單源專用IC的依賴 - 這是組件分配和供應(yīng)中斷的重要因素。此外，參考設(shè)計(jì)使設(shè)計(jì)導(dǎo)入變得簡(jiǎn)單，降低了研發(fā)過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)，并加快了最終產(chǎn)品的上市時(shí)間。