摘要

本文論述一個新穎的簡單的適用于各種類型硬開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的電能回收電路，這個電路只需使用幾個意法半導體的元器件：一個微型線圈、兩個耦合輔助線圈和兩個優(yōu)化的PN二極管。而且，這個電路完全兼容任何一種PWM控制器。我們在這里論述這個成本最低且能效更高的獨特的電能回收電路的基本設計方法。為了突出這個拓撲的好處，我們在一個90-264 VRMS的通用系列450W硬開關(guān)式功率因數(shù)校正器內(nèi)，把這個電路與8 A 碳化硅肖特基二極管進行了比較；為了更全面客觀的比較，我們使用了幾個開關(guān)頻率(72 kHz、140 kHz和200 kHz)。比較結(jié)果顯示，新電路的能效高于碳化硅肖特基二極管。此外，這個包括專用二極管和小線圈在內(nèi)的整流級具有很高的成本效益，符合大眾市場的預期。 

 1. 前言

最大限度地降低功率損耗，在不增加成本的前提下提高功率密度，是現(xiàn)代高能效開關(guān)電源面臨的主要挑戰(zhàn)。開關(guān)電源的設計目標是降低功率的通態(tài)損耗和開關(guān)損耗。

不顯著影響成本和功率密度而達到優(yōu)化功率通態(tài)損耗的目的是很難的，因為實現(xiàn)這個目標需要更多的材料，例如，晶片和銅線面積。與通態(tài)損耗不同，降低功率開關(guān)損耗而不大幅提高電源成本比較容易做到。降低功率開關(guān)損耗有兩個主要方法：改進半導體技術(shù)的動態(tài)特性或電路拓撲。

采用碳化硅和氮化鎵等材料的新型二極管可大幅降低開關(guān)損耗。然而，這些新產(chǎn)品的能效成本比并不適用于大眾市場，如臺式機電腦和服務器電源。

本文重點論述的專利電路[1]采用軟開關(guān)法，能效/成本/功率密度/EMI比優(yōu)于碳化硅高壓肖特基二極管，因此符合市場預期。

1.1. 二極管導通損耗

從200 W到2000W之間的大眾市場電源通常需要一個連續(xù)導通（CCM）的功率因數(shù)校正器（PFC）。要想提高功率轉(zhuǎn)換器的功率密度，就應該提高開關(guān)頻率。然而，功率因數(shù)校正器的主要開關(guān)損耗是功率開關(guān)/整流器換向單元的損耗，提高開關(guān)頻率意味著更高的損耗。因為PN二極管產(chǎn)生的電壓電流交叉區(qū)損耗和反向恢復損耗[2] ，如圖1.1所示，所以，主要功率損耗發(fā)生在功率開關(guān)的導通階段。

圖1:導通損耗與二極管類型和電流軟開關(guān)法對比

為降低PN二極管整流器引起的功率損耗，最近多家半導體廠家推出了采用碳化硅和氮化鎵技術(shù)的高壓肖特基二極管。盡管半導體廠商付出努力，但是仍然不能消除在晶體管導通過程中發(fā)生的電流電壓交叉區(qū)，如圖1.2所示的。與PN二極管不同，碳化硅二極管能夠提高dI/dt斜率，而二極管的反向恢復電流沒有提高。因此，開關(guān)時間變小，導通功率損耗也隨著變小，但是不能徹底消失。今天，為遵守EMI電磁干擾防護標準，在功率因數(shù)校正器設計內(nèi)，碳化硅二極管導通dI/dt最大值約1000 A/µs，而傳統(tǒng)的PN二極管的dI/dt值為 300 A/µs。

1.2. 軟導通法

另一種降低導通損耗的方法是使用一個軟開關(guān)法，增加一個小線圈L來控制dI/dt斜率。該解決方案消除了在晶體管導通過程中發(fā)生的電流/電流交叉區(qū)和PN二極管反向恢復電流效應，如圖1.3所示。電流軟開關(guān)解決方案不是新技術(shù)，但是必須達到相關(guān)的技術(shù)標準：

1.     在每個開關(guān)周期重置線圈L的電流（不管電流、輸入和輸出電壓如何變化）。

2.     無損恢復線圈貯存的感應能量。

3.     抑制半導體器件上的任何過壓和過流應力。

4.     當增加任何器件時保持成本不增加。

5.     保持相似的功率密度。

很多電路都可以分為兩大類：有源恢復電路和無源恢復電路。

1.3. 有源恢復電路

在有源恢復電路中，零壓轉(zhuǎn)換(ZVT)電路[3]是設計人員非常熟悉的電路，如圖2所示。 這種電路可以根除導通功率損耗和關(guān)斷功率損耗。 

圖2: ZVT：有源恢復電路