如何設計可靠的多電平無橋圖騰柱PFC

多級圖騰柱 PFC 為設計人員提供了優于 2 級設計的市場吸引力優勢，包括顯著更小的電感器、更低的 dv/dt 和更低的開關損耗。開關工作電壓的固有降低使多級 PFC 能夠通過低成本標準多源 150V MOSFET 以最小的反向恢復時間和電荷來最佳實施。與市場上現有的寬帶隙 (WBG) 解決方案相比，這種實施方式能夠以低得多的系統成本實現超過 99.2% 的同類最佳效率。

圖騰柱PFC的多級實現

a) 拓撲。圖片由

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b) 兩個開關單元的相移 PWM 調制。圖片由

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圖 1.

使用 150V MOSFET 的無橋圖騰柱 PFC 設計。圖片由

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由于傳導損耗最低，無橋圖騰柱布置是單相 AC/DC 應用的首選 PFC 拓撲 [1]、[2]。高頻開關支路可以使用 650V WBG 器件 [1] 以 2 級方式實現，也可以基于現成的 150V MOSFET [2] 以多級方式實現。圖 1(a) 所示的后一種實施方式可實現最佳功率轉換，磁性元件減少 75%，BOM 成本降低 50%。這些巨大的好處是電力如何數字調制和從交流電轉換為直流電的直接結果。具體而言，8×150V MOSFET（Q 1至Q 8）和電容器C 2被布置以形成兩個2電平開關單元。內細胞包括Q 3、Q 4、Q 5和Q 6被控制為180度相移到由Q 1、Q 2、Q 7和Q 8組成的外部單元。每個單元中的串聯 MOSFET，例如 Q 3和 Q 4，由基于 ICERGi IC70001 的隔離式低成本柵極驅動電路共同驅動開和關。兩個開關單元的示例性驅動信號如圖 1(b) 所示。

由于兩個開關單元是級聯和相移的，多電平拓撲比傳統的兩電平解決方案更高效、更安靜地處理電源。特別是，功率轉換發生在輸出電壓的一半和功率器件開關頻率的兩倍，從而導致：

• 主電感的伏秒積減少 4 倍。這允許使用低成本標準 Sendust 環形磁芯和實心漆包線將電感器設計縮小 4 倍，從而將 BOM 成本降低 50%。除了成本和尺寸優勢之外，較小的電感器在低壓線路運行時效率更高，從而進一步提高了轉換器效率。
• 更低的開關損耗
• 降低 dv/dt，這對限制 EMI 效應很有價值

與任何 PFC 拓撲類似，多級圖騰柱設計的可靠性取決于電源開關的使用壽命，尤其是 150V MOSFET。因此，將這些設備保持在其電氣和熱安全工作區域內是長壽命和可靠應用所必需的。本文的下一部分將討論如何在真實世界設計中滿足這些要求。

電壓平衡是關鍵

圖 1(a) 中所示的電容器 C 2和 C bulk定義了開關單元中每對串聯 MOSFET 的工作電壓。然而，每個 MOSFET 的工作電壓可能無法很好地定義，具體取決于其開關特性以及驅動方式 [2]。如圖 1(a) 所示，通過向開關單元添加兩個飛跨電容器 C 1和 C 3可以完全解決這種敏感性問題。通過控制三個飛跨電容器 C 1、 C 2、 C 3和輸出電容器 C bulk兩端的電壓，可以將所有開關器件的工作電壓水平保持在其規格范圍內。

圖 2.

飛跨電容電壓監測和控制。圖片由

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PFC 輸出電壓 V Cbulk由數字 PFC 控制器測量和調節。相移調制自然迫使C 2的電壓穩定在輸出電壓V Cbulk的一半。盡管自然平衡足以解決大多數器件和制造公差，但應積極監測和控制飛跨電容器電壓 V C2以獲得更好的保護。ICERGi PFC 控制器 IC70101 中集成了這種控制功能，如圖 2 所示。C 2兩端的電壓首先由差分放大器緩沖，然后將其輸出饋送到 PFC 控制器 IC70101 以進行 ADC 測量和軟件保護。帶有快速比較器的附加模擬電路可用于為開關元件提供額外的過壓保護層。

串聯連接的 MOSFET 需要精確的驅動延遲匹配，以最大限度地減少關斷轉換期間C 1和 C 3吸收的能量。將微型隔離驅動變壓器與 ICERGi 柵極驅動器 IC70001 結合使用可以滿足此類要求。由于C 1和C 3在操作期間不必處理任何重要的功率，因此它們的值可以很小，例如大約47nF。因此，它們的電壓可以通過使用 4 個 TVS 器件 T 5、T 6、T 7和 T 8得到有效控制。為了最小化功率損耗，鉗位電平選擇在 115V 以上，并且僅在 V C1時觸發 TVS 設備之一和 V C3分別偏離 V Cbulk /4 和 3*V Cbulk /4 的平衡點。

啟動：V線= 230V ac，空載。圖片由

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穩態運行：V線= 230V ac，P負載= 3kW。圖片由

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2kV L-to-N 差分浪涌，V線= 230V ac，P負載= 2kW。圖片由

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圖 3.

啟動、穩態和線路電壓浪涌條件下的飛跨電容和輸出電壓。（VC1 = 藍色，VC2 = 紅色，VC3 = 綠色，VCbulk = 橙色）。圖片由

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應該注意的是，電容器電壓 V C2在所有工作條件下都得到了很好的控制，而輸出電壓 V Cbulk在上電和線路電壓浪涌期間可能會經歷快速瞬變。因此，圖 1(a) 所示的兩個附加 TVS 器件 T 1和 T 2包含在外部單元中，以提供足夠的電壓鉗位，防止 MOSFET 進入雪崩模式。

圖 4.

多級圖騰柱 PFC 開關單元的推薦 PCB 布局。圖片由

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圖 3 展示了 V C1、 V C2、 V C3和 V Cbulk在不同工作條件下的行為。顯然，電壓平衡不僅在穩定狀態下而且在瞬態響應期間都能很好地保持。外部電池的最壞情況發生在差模浪涌期間，如圖 3(c) 所示。轉換器快速增加 V C3以響應 V Cbulk的快速變化，從而將外部單元 MOSFET 的工作電壓保持在 150V 限制范圍內。

注意循環

除了工作電壓之外，還需要控制 MOSFET 關斷轉換期間的過沖以滿足設計要求。關斷過沖通常是寄生電感和反向恢復電流的函數。大多數商用 150V MOSFET 已經具有出色的反向恢復特性，適用于硬開關應用；因此，通過 PCB 布局優化最小化寄生電感是必要的步驟。建議使用 SMD 元件和低 ESR 陶瓷電容器來減小環路尺寸。圖 4 舉例說明了一個 PCB 設計，其中排列了 8 個 SO8 MOSFET 和 SMD 飛跨電容器，以最大限度地減少由 (Q 4、Q 5、C 1 )、(Q 6、Q 3、C形成的 4 個回路1 , Q 2 ), (Q 7 , Q 2 , C 2 , C 3 ), 和 (Q 8 , Q 1 , C 3 , C bulk , R cs )。為了便于演示，與 C 2并聯的兩個薄膜型 PTH 電容器未包含在圖 4 中。

由于低環路電感和出色的反向恢復性能，MOSFET Q 1、Q 2、Q 7和 Q 8的開關波形呈現出干凈的過渡和最小的過沖。即使在圖 5 所示的最大負載條件下，過沖也小于 10V，并且外部電池中的所有開關元件都小于 120V。這表明 30V 或 20% 的工作裕度是硬開關應用非常理想的。

類似地，其他 4 個 MOSFET Q 3、Q 4、Q 5和 Q 6的漏源電壓也經歷了最小的過沖和振鈴，導致最大電壓應力小于 120V。由于篇幅所限，本文不包括內細胞的實驗數據，但可根據要求提供。

(a) 問1。圖片由

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(b) Q 2。圖片由

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(c) 問題7。圖片由

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(d) 問題8。圖片由

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圖 5.

外部電池中開關器件的漏源電壓。測試條件為 115Vac 和 1.5kW。實驗數據由浮動示波器和 300MHz 單端探頭采集。禁用 20MHz 帶寬限制功能。圖片由

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保持冷靜保持可靠

除了電氣應力之外，高工作溫度通常會極大地影響開關元件的使用壽命，尤其是 150V MOSFET?？煽康脑O計應該能夠在向負載提供最大功率的同時限制組件溫度。如果轉換器效率低且散熱器尺寸受限，則該目標不容易實現。

由于更高效的功率轉換和更大的損耗分布，多級圖騰柱 PFC 在熱方面比 2 級解決方案更具優勢。尤其是如圖 6 所示的 3kW 多級圖騰柱 PFC 原型，在 230Vac 30% 至 50% 負載下可實現 > 99.2% 的效率，在 100% 負載下總損耗 < 38W。開關支路中的總損耗約為 20W，平均分布在 8 個 MOSFET 之間。因此，每個 MOSFET 在滿載時必須消耗大約 2.5W 的功率，這可以通過底部冷卻結合熱通孔和熱界面材料來實現。

圖 6.

3kW 多級圖騰 PFC 原型和效率數據。圖片由

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圖 7 顯示了內部單元中 4 個 MOSFET 的熱圖像。剩余的外部單元 MOSFET 被控制卡覆蓋，在圖像中看不到。熱數據表明，在滿載和最小氣流條件下，4 個開關的最高絕對溫度遠低于 50 攝氏度。高于環境溫度的溫升為30攝氏度。這與效率數據和每個 MOSFET 的功率損耗估計密切相關。需要強調的是，讓電源開關運行溫度更低是提高產品可靠性的最有效方法。

圖 7.在 V

線= 230V 和 P負載= 3kW時捕獲的 Q 3、Q 4、Q 5和 Q 6的溫度。在 20 攝氏度的環境溫度下運行 20 分鐘后進行測量?？諝饬髁?< 0.3m3/min。圖片由?

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概括

如果所有開關器件都被控制在其電氣和熱額定值范圍內正常工作，那么使用 150V MOSFET 進行 400V 電源轉換不會降低設計的可靠性。如本文所述，多級無橋圖騰柱 PFC 可以設計為在其安全工作區域內良好運行，在極端條件下具有顯著裕度，并且與任何其他拓撲一樣可靠。通過控制飛跨電容器電壓，8 x 150 MOSFET 的電壓應力在穩定狀態下保持在 120V 以內，在線路電壓浪涌和瞬變時保持在 150V 以內。

在熱方面，多級圖騰柱 PFC 提供優于 2 級解決方案的優勢，因為多級功率轉換效率更高（>99.3% 效率），從而降低功率損耗和產生的熱量。此外，多個開關組件將損耗分散到更多開關上，從而將通常與 2 電平設計相關的熱熱點風險降至最低。