高功率(3千瓦及以上)AC-DC轉換器的效率，特別是具備功率因數校正(PFC)的轉換器，是影響設計多個方面的關鍵因素，包括熱耗散、整體物理尺寸和冷卻類型。經濟因素對客戶的影響也在設計發展中扮演角色。基于數字控制架構的技術解決方案，以及IXYS提供的高功率離散組件，有助于提高高功率AC-DC轉換器的效率。

　　概述

　　IXYS數字電源控制技術通過充分利用新型半導體組件在增加負載電流和電壓下的快速開關能力，擴展了高效AC-DC轉換器的發展。此設計還集成了數字涌流控制技術和高功率雙相數字功率因數校正。功能控制基于Zilog的8位Z8F6481 MCU。

　　該設計集成了輸出功率超過3千瓦的AC-DC轉換器、主動PFC和雙相交錯轉換，旨在通過以下改進確認在高功率下實現高轉換效率的可能性：

　　高功率下的準諧振模式

　　峰值電流調制概念

　　具有快速反向恢復時間的基于MOSFET的電流開關

　　具有快速正向恢復能力的快速升壓整流器

　　新型低損耗高頻30A電感，用于存儲并高效地將能量泵入輸出大容量電容器和負載

　　利用準諧振模式最小化在高功率模式下重新充電MOSFET輸出電容以及任何雜散電容的功率損耗。雙相交錯架構與電流調制和12位分辨率乘法DAC與快速比較器相結合，作為高分辨率幅度鑒別器，生成精確模仿參考波形的電流波形。因此，功率因數高，失真低，從而有助于轉換器的效率。

　　通過使用具有負供電電壓的IXYS高速高電流門驅動器將門電壓移入負區域，減少了電流開關的關閉時間。

　　IXYS X級MOSFET的體二極管，一種基于硅的超結(SJ)器件，被用作升壓二極管。X級或X2級SJ MOSFET的體二極管提供了極好的正向恢復性能，這大大減少了正向恢復電壓(高達三倍)，并增加了轉換器的效率。電感由MPS Industries設計和制造，用于在高電流和高開關頻率下實現高效率。

　　基于MCU的數字控制還優化了轉換器的整體性能，包括限制涌流、可編程故障保護方案以及在負載和輸入電壓范圍內優化轉換器的性能。

　　特點

　　高效MCU控制的大功率PFC與雙相電流調制設計提供了以下特點：

　　轉換功率，最大3千瓦@240V電源線

　　輸入電壓240V±10% AC 50/60 Hz

　　輸出電壓450V – 650V，可編程

　　輸出電流6.7A @ 450V

　　輸出電壓紋波<5%滿載

　　輸入電流紋波<8%

　　負載變化范圍>8倍

　　設備轉換頻率80 – 100 kHz高功率

　　可編程過載、過電壓和欠電壓保護

　　數字涌流控制

　　軟啟動

　　電源良好狀態

　　潛在應用

　　此設計為開發各種AC-DC轉換器電源管理應用提供了基礎，包括使用IXYS電源設備和MCU的以下應用：

　　空調系統

　　電動汽車充電

　　電池充電

　　高功率LED照明

　　操作原理

　　高效MCU控制的大功率PFC與雙相電流調制的設計方法和示意圖在參考部分[1]中描述。

　　準諧振模式適應變化的峰值電流值，并由MCU控制。SJ MOSFET開關在每個峰值電流時刻關閉。電感器(和MOSFET的漏極)電壓開始以諧振方式下降。當電感器電壓等于輸入正弦波電壓時，比較器向MCU生成一個脈沖。由于諧振參數在特定設計中不太可能發生顯著變化，因此在零電感器電流時打開開關所需的延遲時間是可預測的。這些值存儲在MCU的Flash內存中，并在計時器中加載，以在接收到上述比較器脈沖時生成下一個開啟脈沖。這使得MOSFET開關每次都在零或接近零的電感器電流時打開。

圖1

圖2

　　除非負載功率降至峰值功率的50%以下，否則轉換器在高功率下以準諧振模式運行。如果輸出功率降至峰值功率的50%以下，轉換器將停用從轉換階段，并在有源緩沖器的情況下以不連續導通模式運行，以傾倒諧振振蕩。輸出電壓主要通過延遲時間的脈沖密度調制來控制。輸出電壓的微調仍然通過在有限的動態范圍內調制峰值電流參考幅度來實現。

　　電流開關的關閉時間是功率損耗的重要組成部分，應盡可能短。為了減少關閉時間，使用了具有與IXFH50N85X SJ MOSFET門綁定極限相等的電流能力的門驅動器。此外，通過使用負供電電壓為門驅動器供電，將關閉狀態下的門電壓移入負區域。這種方法在縮短關閉時間方面非常有效，如圖1和圖2所示。圖1描繪了具有等于5歐姆的門電阻和接地水平較低電壓的傳統門驅動方法。圖2描繪了升壓階段的波形，門驅動器額定電流為30A，公共節點移至負15V，這導致整體開關時間幾乎減少了兩倍。

　　作為比較，在同一應用中使用了碳化硅器件IXFN50N120SK。由于門規格，門驅動器的公共節點被移至負5V。SJ IXFH50N85X的門充電時間為25 ns，即比Si MOSFET的31 ns短，但整體關閉時間在同一范圍內(參見圖3)。因此，X級MOSFET可用于設計提供與使用SIC MOSFET相似的開關特性的電路。

圖3

　　快速關閉開關在MOSFET漏極上產生過沖，這取決于升壓整流器二極管的正向恢復時間。在具有DHG40C1200HB二極管的應用中，過沖超過輸出PFC電壓200V，如圖1所示。該二極管快速且非常適合在連續導通模式下的硬開關中進行反向恢復。對于臨界導通模式，硬開關是單側的，需要快速正向恢復以減少過沖。確定Si MOSFET的體二極管是在需要快速正向恢復時間的情況下使用的最佳選擇。使用作為開關的相同SJ IXFH50N85X作為二極管，將過沖降低到100V(參見圖2)。在開關時刻的30A峰值電流下，使用MOSFET的體二極管將升壓二極管的功率損耗降低了兩倍，與DHG40C1200HB相比，從而大大提高了PFC轉換器的效率。

　　在高開關電流和頻率下，電感器與其他組件一樣重要。在峰值電流下電感器的飽和會導致設備效率的損失，因為減少電感會增加電感器的電流，但不會導致存儲能量的增加。

　　MPS Industries為高功率開發了一種高頻電感器，具有適用于PFC應用的出色磁特性(參見圖4)。使用此電感器可以在廣泛的負載范圍內提供穩定的效率，直至峰值負載功率。

圖3

　　峰值電流調制允許電源線電流復制AC線輸入電壓的形式，該電壓用作參考。在此設計中，DAC用于為峰值電流調制提供參考電壓。整流和縮放的輸入正弦波被應用于模擬DAC輸入，而數字DAC輸入用于根據預測和反饋控制控制DAC輸出的幅度。圖5顯示了電流調制的示意圖。

圖5

　　硬件實現

　　IXYS的MCU控制PFC，包括MCU模塊、主電源板和輔助板，如圖6所示。MCU和輔助模塊作為由輔助電源供電的附加設備實現。MCU模塊包含用于MCU編程的連接器。在為整個系統供電之前，應先對MCU進行編程。

圖6

　　主電源板是一個四層表面貼裝板，提供易于訪問的測試點。在3000W輸出功率下，MOSFET上的功率耗散小于54W。該板可以從50 Hz或60 Hz 220/240V AC源供電。輔助電源為MCU提供±3.3V，為主電源板上的門驅動器提供±12V。

　　MCU控制PFC的效率

　　參考設計示意圖的效率是通過排除二極管整流器和AC濾波器來確定的。在3000W負載功率下，功率損耗為54W，對應于98.2%的效率率。額外的功率損耗歸因于二極管橋和AC線路濾波器電感器。

　　總結

　　這種MCU控制的PFC是基于Zilog的F6481系列MCU的數字電源控制設計的延續，提供了在實施獨特控制算法方面的充足靈活性，有助于創建高效的電源系統。3千瓦PFC轉換器的主要關注點是通過設計方法和IXYS的新功率MOSFET設備來提高效率。X級SJ MOSFET的快速開關能力和SJ MOSFET體二極管的快速正向恢復時間是幫助實現提高PFC和其他使用數字電源控制的功率轉換器效率目標的關鍵組件。

浮思特科技專注功率器件領域，為客戶提供IGBT、IPM模塊等功率器件以及MCU和觸控芯片，是一家擁有核心技術的電子元器件供應商和解決方案商。