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作者：英飛凌科技高級(jí)應(yīng)用工程師David Meneses Herrera，高級(jí)產(chǎn)品定義工程師Nico Fontana 自 2001 年以來(lái)， EN61000-3-2 作為歐盟“電磁兼容（EMC） 指令”的一部分已經(jīng)正式生效，在歐洲銷售的 AC-DC 電源要求包含有功率因數(shù)校正 (PFC)，或更準(zhǔn)確地控制“交流線路諧波電流產(chǎn)生”。大多數(shù)功率超過(guò)75W額定值的設(shè)備都會(huì)受到影響，但照明產(chǎn)品的限制則為25W [1]。 之所以出現(xiàn)這種需求，是因?yàn)槿绻麤](méi)有 PFC，現(xiàn)代 AC-DC 電源會(huì)向公用事業(yè)用電呈現(xiàn)非線性負(fù)載，電流會(huì)在市電電壓峰值處以短時(shí)間突發(fā)形式出現(xiàn)。通過(guò)傅里葉展開(kāi)，失真的電流波形可以用一個(gè)基本的正弦波表示，代表“有功”功率，疊加在代表“無(wú)功”功率的諧波之上。這些諧波中的電流不會(huì)提供有用的負(fù)載功率，但仍會(huì)從電源中汲取電流，從而在配電網(wǎng)絡(luò)中增大了不必要的損耗。功率因數(shù)校正通過(guò)調(diào)整電流并遵循標(biāo)稱正弦線路電壓來(lái)消除諧波。 對(duì)于非常低的功率，有可能采用線路頻率電感器進(jìn)行“無(wú)源”校正，但對(duì)于幾十瓦以上的功率，這成本太高，且又大又重。更高功率的解決方案是通過(guò)以更高頻率開(kāi)關(guān)電流，并使用正弦線路電壓波形的模擬來(lái)調(diào)制脈沖寬度，以主動(dòng)強(qiáng)制線電流遵循施加的電壓波形。開(kāi)關(guān)電路主要，但不一定全都是升壓轉(zhuǎn)換器的形式，其中脈沖寬度的調(diào)制深度也由反饋控制以產(chǎn)生近似恒定的直流輸出電壓，并設(shè)置為剛好高于交流電的峰值。一個(gè)簡(jiǎn)單的升壓轉(zhuǎn)換器如圖 1（左）所示，它僅從一個(gè)電源極性工作，因此需要一個(gè)前置橋式整流器。 功率轉(zhuǎn)換的高效率對(duì)于節(jié)省能源成本和滿足歐洲“生態(tài)設(shè)計(jì)指令（Ecodesign Directive）”2019/1782 以及美國(guó)能源部“VI 級(jí)”限制等要求也越來(lái)越重要。最艱難的目標(biāo)可能是“能源之星”80+ 鈦，它要求計(jì)算機(jī)電源在 230VAC 和 50% 負(fù)載下的最低效率須達(dá)到 96%。該目標(biāo)效率在電源中是端到端型，實(shí)際上，PFC 級(jí)的損耗貢獻(xiàn)不能高于總預(yù)算的一半，即 <2%。然而，在圖 1 中的簡(jiǎn)單升壓電路中，單獨(dú)的橋式整流器損耗可能高達(dá) 2%，從而使電路不適用。 
圖 1：有源 PFC 排列，從左到右：傳統(tǒng)、雙升壓、圖騰柱。 一個(gè)升壓 PFC 的進(jìn)展是“雙”排列，如圖 1（中）所示，它只包括用于每個(gè)電源極性的單獨(dú)轉(zhuǎn)換器。然而，仍然需要兩個(gè)線路整流二極管或配置為整流器的 MOSFET，以及兩個(gè)帶有兩個(gè)電感的轉(zhuǎn)換器，具有更高復(fù)雜性，因此該電路仍然不理想。現(xiàn)在成為標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步改進(jìn)是“圖騰柱 PFC”配置，見(jiàn)圖 1（右）。此處，Q6 和 Q7 均可根據(jù)交流極性配置為開(kāi)關(guān)或二極管，形成單個(gè)升壓級(jí)，Q4 和 Q5則根據(jù)極性控制電流。由于不需要單獨(dú)的橋式或線路整流器，能耗僅僅來(lái)自于 MOSFET 的傳導(dǎo)和開(kāi)關(guān)損耗以及寄生效應(yīng)，包括體二極管的反向恢復(fù)和器件電容的充電/放電。該技術(shù)的另一個(gè)好處是其固有的雙向能力。 Q4 和 Q5 并不重要，因?yàn)樗鼈儍H在 50/60Hz 的線路頻率下開(kāi)關(guān)，因此動(dòng)態(tài)損耗可以忽略不計(jì)，并且可以選擇具有低導(dǎo)通電阻的硅 MOSFET，以實(shí)現(xiàn)最小的傳導(dǎo)損耗。但Q6 和 Q7 以高頻開(kāi)關(guān)，因此必須考慮動(dòng)態(tài)損耗。 PFC 工作模式影響效率 升壓轉(zhuǎn)換器可以在不同傳導(dǎo)模式下工作：連續(xù)、邊界和非連續(xù)（如圖 2）。這些是指電感電流以及它是否在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期變?yōu)榱恪?br />
圖 2：升壓轉(zhuǎn)換器工作模式。 非連續(xù)模式 (DCM) 可以是“準(zhǔn)諧振”，其中要實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)關(guān)并最小化動(dòng)態(tài)損耗，但由于峰值電流很高，增大了電感器中的傳導(dǎo)和磁芯損耗。因此該模式僅適用于相對(duì)較低的功率。當(dāng)電感電流被控制為每個(gè)周期會(huì)觸及零且峰值電流略低于 DCM 時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)邊界模式 (BCM)，但該模式需要進(jìn)行可變頻率操作，并不是首選。連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）可以設(shè)計(jì)為任意較低的紋波電流，適用于大功率。但有一個(gè)缺點(diǎn)：考慮到電源極性，其中 Q7 作為主開(kāi)關(guān)工作，Q6 作為同步整流器，Q7 在漏極處在高電壓時(shí)開(kāi)啟，即所謂的“硬開(kāi)關(guān)”，具有瞬態(tài)高功耗。Q6 可以在零電壓導(dǎo)通，因?yàn)?Q7 關(guān)斷后，Q6 體二極管通過(guò)換向?qū)ǎ瑢?duì) Q6 COSS 進(jìn)行放電。然而，在 Q6 關(guān)斷后，其體二極管再次導(dǎo)通，存儲(chǔ)電荷 QRR，當(dāng) Q7 隨后導(dǎo)通時(shí)，這會(huì)隨著瞬態(tài)耗散而恢復(fù)。對(duì)于電源波形的另一極性，Q6 和 Q7 的功能相反。硅 MOSFET相對(duì)較高的QRR 和 COSS/QOSS值，甚至是超結(jié)類型，都會(huì)因此產(chǎn)生過(guò)度的耗散。這些參數(shù)的變化也是一個(gè)問(wèn)題所在，COSS 的變化通常為 10,000 倍，每個(gè)周期的漏極電壓出現(xiàn)擺動(dòng)，并且隨溫度變化很大。對(duì)于零電壓開(kāi)關(guān)，Q6 的 COSS 必須完全放電，因此開(kāi)關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)之間的死區(qū)時(shí)間必須足夠長(zhǎng)才能使這種情況發(fā)生，從而允許 COSS 出現(xiàn)較大變化。然而，過(guò)長(zhǎng)的死區(qū)時(shí)間會(huì)導(dǎo)致 Q6 體二極管出現(xiàn)傳導(dǎo)損耗，從而顯著降低電壓。上述損耗的凈效應(yīng)意味著 Si MOSFET 不適用于高功率/高性能圖騰柱 PFC 應(yīng)用。 CoolSiC MOSFET 具有實(shí)現(xiàn)高效率的重要參數(shù) 寬帶隙半導(dǎo)體（尤其是 SiC MOSFET）的發(fā)展實(shí)際上解決了體二極管反向恢復(fù)問(wèn)題，其固有的材料特性更好，并且對(duì)于給定的 Rdson，PN結(jié)的物理尺寸更小。圖 3 顯示了 650V、90mΩ級(jí)器件的效果，與 CoolMOS 相比，SiC的 QRR 降低了 88%。重要的是，與 Si 器件相比，SiC 體二極管中 QRR 隨溫度的變化也小很多。
圖 3：SiC 反向恢復(fù)遠(yuǎn)小于 Si。（來(lái)源：英飛凌） 同樣，碳化硅器件的 COSS 絕對(duì)值較低，且隨漏源電壓的變化也小得多，可能相差三個(gè)數(shù)量級(jí)。這些因素共同意味著，不僅碳化硅中的恢復(fù)電荷 QRR 和 QOSS 以及隨之而來(lái)的耗散要低得多，而且可以安全地減少死區(qū)時(shí)間以獲得更高效率。 實(shí)際結(jié)果 如圖 4所示，英飛凌已在 3.3kW 參考設(shè)計(jì) (EVAL_3K3W_TP_PFC_SIC)[2]中使用其專有的 650V CoolSiC MOSFET 展示了圖騰柱 PFC 拓?fù)浼軜?gòu)，并在 230 VAC 輸入和 400 VDC 輸出，峰值效率為 99.1%時(shí)，實(shí)現(xiàn)了73W/in3 (4.7 W/cm3) 的功率密度，詳見(jiàn)圖 5，其中采用了 TO-247 四引腳封裝類型 IMZA65R048M1 的 CoolSiC MOSFET用于高頻開(kāi)關(guān)，額定電壓為 650V，64mΩ，而額定電壓為 600V， 17mΩ的 IPW60R017C7 CoolMOS Si 超結(jié)MOSFET 則用于低頻開(kāi)關(guān)。該設(shè)計(jì)為完全雙向，并且在逆變器模式下，對(duì)于 230VAC 主電源和 400VDC 電源能夠?qū)崿F(xiàn)超過(guò)98.8% 的峰值效率。這里引用的效率數(shù)據(jù)考慮到了實(shí)際設(shè)計(jì)所需 EMI 抑制和浪涌限制組件中的損耗。
圖 4：采用英飛凌 SiC MOSFET 技術(shù)的雙向 AC-DC/DC-AC 轉(zhuǎn)換器。
圖 5：在 230VAC 輸入下，測(cè)量得到的效率隨英飛凌圖騰柱 PFC 演示方案負(fù)載的變化。 圖騰柱 PFC 級(jí)的控制很復(fù)雜，尤其是在雙向時(shí)更是這樣，因此數(shù)字技術(shù)很具有優(yōu)勢(shì)，這主要是通過(guò)英飛凌 XMC 1404 微控制器實(shí)現(xiàn)。在 20% 負(fù)載下，最終設(shè)計(jì)的功率因數(shù)優(yōu)于 0.95，且在 20% 負(fù)載下電流總諧波失真 (THD) 小于 10%，滿足 EN 61000-3-2 的要求。作為一種演示方案，該裝置僅用于高線路電壓操作，但如果需要，可以采用技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)全范圍通用輸入 88～264 VAC。 結(jié)論 英飛凌 CoolSiC MOSFET 的使用打破了大功率圖騰柱 PFC 級(jí)中損耗低于 1% 的瓶頸，使該技術(shù)成為端到端鈦（Titanium） 級(jí)標(biāo)準(zhǔn) AC-DC 電源損耗低于 4%總體目標(biāo)中不可或缺的一部分。其促成因素是 SiC MOSFET 的低反向恢復(fù)電荷，低且穩(wěn)定的輸出電容及其固有的高溫額定值、低柵極電荷、低比導(dǎo)通電阻和穩(wěn)健性等。這種設(shè)計(jì)結(jié)果不僅符合效率目標(biāo)，而且是一種體積小、重量輕且成本低的解決方案，有助于節(jié)省能源，減少對(duì)環(huán)境的影響。 英飛凌擁有廣泛的基于 SiC 解決方案組合。CoolSiC 器件可提供分立和模塊形式，額定值為 650～1700V，導(dǎo)通電阻低至 2mΩ。該產(chǎn)品可與一系列匹配的 EiceDRIVER 柵極驅(qū)動(dòng)器進(jìn)一步補(bǔ)充使用，以實(shí)現(xiàn)更高易用性和更強(qiáng)大的性能。低側(cè)和高側(cè)驅(qū)動(dòng)器的非隔離和隔離變體采用英飛凌的無(wú)芯變壓器技術(shù)，非常適合 CoolSiC產(chǎn)品系列。對(duì)于完整的解決方案，還可提供用于數(shù)字控制的電流感測(cè) IC 和微控制器。 欲了解有關(guān)英飛凌基于 SiC 解決方案的更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn) www.infineon.com/SiC。 參考文獻(xiàn) [1] https://www.epsma.org/wp-content ... 018-3-final-7-7.pdf [2] 采用650V CoolSiC TM 和 XMCTM 3300W CCM 雙向圖騰柱，英飛凌應(yīng)用筆記 AN_1911_PL52_1912_141352 https://www.infineon.com/cms/en/ ... al_3k3w_tp_pfc_sic/ |
