這篇文章描述了一種多級圖騰柱PFC拓?fù)?，利用硅MOSFET的簡單性和成熟性，以及一種新穎的模塊化門驅(qū)動方法，達(dá)到與傳統(tǒng)寬帶隙半導(dǎo)體電路相當(dāng)?shù)男?，并具有更低的成本?/p>

　　PFC拓?fù)涞难葑?/strong>

　　在更高功率水平上實現(xiàn)合規(guī)的實際方法是使用主動PWM電路，強(qiáng)制拉取的線電流接近正弦波。盡管轉(zhuǎn)換階段可以采取不同形式，但“升壓”轉(zhuǎn)換器是首選，因為它可以在低輸入交流電壓下工作，并生成一個穩(wěn)壓的高電壓軌道，可以有效存儲維持電力的能量。該“升壓PFC”階段最初采用線橋整流器和升壓拓?fù)?圖1左)。隨著對更高效率的需求，例如在“能源之星80 plus”計劃中，電路變得不可行，因為在任何一個時刻功率鏈中三臺整流器的損耗太高，尤其是在低電壓下。提出的解決方案是“無橋圖騰柱PFC”(TPPFC)拓?fù)?圖1中)，將轉(zhuǎn)換分為兩個半波整流階段。升壓開關(guān)和由Q1和Q2組成的同步二極管在交流輸入的不同極性下交替切換功能。D1和D2以電網(wǎng)頻率導(dǎo)通，因此動態(tài)損耗微不足道，但可以用圖1(右)中的同步整流器Q3和Q4替代，以實現(xiàn)導(dǎo)通損耗的增量改善。Q3和Q4被稱為“慢”開關(guān)臂，而Q1和Q2為“快”開關(guān)臂，后者以高頻率切換?？刂戚^為復(fù)雜，專用控制器的選擇有限，無論是模擬還是數(shù)字，但通過優(yōu)化電感器和適當(dāng)?shù)臒峁芾?，可以實現(xiàn)良好的效果。

圖1

　　根據(jù)器件選擇，可以實現(xiàn)任意低的電壓降和導(dǎo)通損耗，但對于快速開關(guān)的硅超結(jié)MOSFET，TTPFC電路在高頻和高功率時證明不適用。這是因為該拓?fù)渫ǔＴ诟吖β仕较乱赃B續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)運(yùn)行，以控制可管理的峰值電流。然而，這導(dǎo)致了“硬”開關(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，硅SJ-MOSFET的高回收能量在高開關(guān)頻率下造成過度損耗，而若為了補(bǔ)償而將頻率保持在低位，電感器的尺寸和成本又不可接受。

　　寬帶隙開關(guān)承諾解決方案，但……

　　寬帶隙(WBG)半導(dǎo)體被譽(yù)為解決這一問題的答案，SIC具有低反向恢復(fù)電荷(Qrr)，而GaN幾乎沒有。然而，這些器件確實存在缺點(diǎn)，特別是與Si-MOSFET相比的單位成本。SiC體二極管快速但仍有恢復(fù)電荷，并且前向電壓降高達(dá)約3V。SiC MOSFET仍可能存在閾值不穩(wěn)定性問題，這需要在制造過程中進(jìn)行篩選，增加了一定成本，并且門驅(qū)動需要約18V以實現(xiàn)完全增強(qiáng)，通常接近絕對最大評級。GaN器件的門閾值更低，因此更容易受到噪聲影響，且其絕對最大門電壓僅約7V。門驅(qū)動至關(guān)重要，由于沒有門氧化層，當(dāng)超過閾值時，門電流會流動，必須加以控制。GaN HEMT單元也沒有雪崩特性，因此過電壓意味著瞬時故障。

　　SiC和GaN都具有令人印象深刻的開關(guān)速度，但在實際電路中，這使得PCB布局極為關(guān)鍵，邊沿速率必須減緩，以避免難以控制的EMI和由寄生電感造成的有害電壓過沖。因此，在TPPFC應(yīng)用中，使用WBG器件的開關(guān)頻率通常低于100kHz，不僅為了降低動態(tài)損耗和提高效率，還為了將基頻設(shè)定在CISPR22/32導(dǎo)體EMI排放限制線的150kHz下限之下。由于它們的缺點(diǎn)，以及缺乏與WBG器件MHz開關(guān)所帶來的小電感尺寸的優(yōu)勢，其吸引力有所下降，進(jìn)一步加劇了包裝標(biāo)準(zhǔn)化的缺乏。

　　更好的多級方法

　　有一種替代方案——效率與WBG解決方案相當(dāng)，但成本更低，并使用標(biāo)準(zhǔn)硅MOSFET——多級TTPFC(圖2)。

圖2

　　在該拓?fù)渲?，兩個快速FET被兩組四個串聯(lián)硅MOSFET替代，每個僅需額定150V即可實現(xiàn)400V DC輸出總線，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，從而實現(xiàn)與WBG解決方案相當(dāng)?shù)恼w損耗?？梢允褂脙山M兩個MOSFET，但這需要每個器件額定300V，而這種規(guī)格并不常見，因此采用兩個串聯(lián)連接的MOSFET(例如Q1和Q2)形成復(fù)合器件，共同驅(qū)動開關(guān)。開關(guān)腿中的開關(guān)被分為兩組：Q1、Q2、Q7、Q8與Q3、Q4、Q5、Q6，每組以反相方式驅(qū)動。當(dāng)Q1和Q2導(dǎo)通時，Q7和Q8關(guān)閉，反之亦然。類似地，Q5和Q6的驅(qū)動信號是Q3和Q4驅(qū)動信號的反相版本。對MOSFET Q3和Q4(同樣適用于Q5和Q6)的驅(qū)動信號時序是對Q1和Q2(同樣適用于Q7和Q8)驅(qū)動信號延遲半個開關(guān)周期的版本。通過對MOSFET組的相位移調(diào)制，采用不同的占空比同時實現(xiàn)輸入電流和輸出總線電壓的調(diào)節(jié)，例如，在Q1/Q2和Q3/Q4之間(圖3)。

圖3

　　電感電流圖顯示了多級方法的一個主要優(yōu)勢——與傳統(tǒng)TPPFC相比，電感看到了雙倍的頻率和一半的電壓，或者說是四分之一的電壓秒，這使得電感的尺寸減少到約四分之一，隨之而來的成本和重量也得以降低。通?？梢允褂玫统杀镜摹癝endustTM”核心。由于較低的電壓秒乘積，差模EMI也減少，進(jìn)一步降低了EMI濾波器的尺寸和成本。

　　“飛行”電容器CFL在Q2/3和Q6/7連接點(diǎn)之間維持一半的總線電壓，如有必要，還可以通過兩個額外的電容器和鉗位二極管確保串聯(lián)對的電壓平衡，這在正常操作中不會消耗電力。二極管D1和D2在啟動時將CBULK涌流電流偏離電感，以避免磁飽和，導(dǎo)致高初始開關(guān)電流。

　　優(yōu)化功率半導(dǎo)體和驅(qū)動

　　八個硅MOSFET和隔離門驅(qū)動可能看起來很復(fù)雜，但耗散功率分散在各個器件上，因此它們可以小型化并表面貼裝。例如，在一個3kW設(shè)計中，它們每個可能僅耗散2.5W，因此通常可以采用小型的5mm x 6mm “SuperSO-8”封裝，并利用PCB焊盤作為散熱器。在一個兩級WBG實現(xiàn)中，熱量集中在兩個器件的熱點(diǎn)上，可能需要使用引腳封裝，例如TO-247，增加了額外的組裝成本和可靠性問題。

　　傳統(tǒng)上，門驅(qū)動的選擇包括笨重且昂貴的主動電路，這些電路需要光隔離器進(jìn)行隔離，并且需要隔離電源軌，通常是雙極的。在某些方案中，脈沖變壓器可以替代光隔離器，但為了最佳性能，這些通常會后續(xù)連接有源驅(qū)動階段。一個顯著減少體積、成本和復(fù)雜性的解決方案是ICERGi的IC70001器件，封裝在一個小型2mm x 2mm U-DFN2020-6中。該驅(qū)動器從內(nèi)部單穩(wěn)態(tài)電路生成最佳的門驅(qū)動波形，具有精確的傳播延遲，通過外部變壓器的短脈沖觸發(fā)開關(guān)。脈沖的持續(xù)時間通常僅為100ns，因此變壓器可以小型化且繞組圈數(shù)較少。它們可以方便地作為平面類型實現(xiàn)于轉(zhuǎn)換器PCB上，ICERGi可以為使用4 x 7mm鐵氧體核心的合適設(shè)計提供布局。實際上只需四個變壓器，因為MOSFET是成對驅(qū)動的。每對MOSFET的門驅(qū)動仍然必須相互隔離，但這可以通過一個單一變壓器的獨(dú)立繞組實現(xiàn)，繞組可以位于E型核心的每個外側(cè)，以實現(xiàn)所需的隔離爬電和間隙。變壓器的小尺寸和構(gòu)造還提供了低隔離電容，這是良好的DV/dt免疫力所必需的。

　　優(yōu)化控制

　　實現(xiàn)最高效率和可靠性取決于多級TPPFC階段的控制，而在沒有專用IC的情況下，ICERGi開發(fā)了專有固件，以在標(biāo)準(zhǔn)ARM Cortex-M0微控制器上運(yùn)行，計算負(fù)載最小，同時結(jié)合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、輸出總線電壓調(diào)節(jié)和所有必要的參數(shù)感應(yīng)及保護(hù)功能。例如，除了支持“智能”過載、過電壓和過溫度監(jiān)測外，固件在啟動和瞬態(tài)條件下直接控制飛行電容器電壓，從而確保MOSFET之間的電壓平衡，不會超過它們的額定值。使用現(xiàn)成的微控制器提供了供應(yīng)安全性，還可以根據(jù)需要添加額外功能，例如驅(qū)動“慢”腿同步MOSFET門或通過通信接口控制和監(jiān)測。

　　性能基準(zhǔn)

　　ICERGi在參考設(shè)計和演示板中展示了多級TPPFC方法及其門驅(qū)動和控制固件的有效性。例如，一款額定為3kW，輸入范圍為85 VAC到265 VAC的版本，完整功能單元的功率密度約為100/in3，包括EMI濾波和輔助電源(圖4)。該單元的效率峰值約為99.3%(圖5)，同時符合IEC/EN 61000-3-2線電流諧波和EN 55022/32導(dǎo)體排放限值，具有10dB的裕量。

圖4

圖5

　　作為所述設(shè)計方法優(yōu)勢的總結(jié)，表1對比了使用Si SJ-MOSFET加SiC二極管的傳統(tǒng)方法、兩級GaN解決方案和多級ICERGi解決方案的屬性。也許最具說服力的比較是BOM成本——ICERGi的分析顯示，相比于GaN節(jié)省33%，相比SiC節(jié)省25%，在相似效率下，包括ICERGi固件的許可費(fèi)用。

表1

　　ICERGi還將控制器與其支持組件和門驅(qū)動封裝成各種“可插拔”模塊，可以用于客戶設(shè)計中技術(shù)的評估。

　　結(jié)論

　　采用硅MOSFET的多級TPPFC方法可以與WBG解決方案一樣高效，但成本更低，無需交錯設(shè)計以達(dá)到至少3kW的功率。使用低壓現(xiàn)成的硅MOSFET消除了對昂貴、單一來源WBG器件的擔(dān)憂，而ICERGi的自供電驅(qū)動器提供了優(yōu)雅且低成本的解決方案。許可ICERGi的固件使設(shè)計者能夠使用商品ARM處理器作為控制器，消除了對單一來源專用IC的依賴——在組件分配和供應(yīng)中斷的時代，這一點(diǎn)尤為重要。此外，參考設(shè)計使得設(shè)計集成變得簡單，降低了研發(fā)過程中的風(fēng)險，加快了最終產(chǎn)品的上市時間。

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