在CCM圖騰柱PFC設計中實現最高效率

采用 Si 超結 (SJ) CoolMOS? MOSFET 的創新解決方案

介紹

在服務器和電信 SMPS應用中，最高效率和功率密度不僅是流行語，而且是明確的市場趨勢。鑒于實際情況，迫切需要增加服務器容量和快速連接以進行實時數據傳輸。實現這一目標需要高效的服務器和電信開關電源 (SMPS)。不可避免地，SMPS 的輸出功率水平必須達到更高水平，同時保持相同的外形尺寸。這種苛刻的組合解釋了為什么功率密度變得越來越重要。除了性能之外，系統成本降低以及模塊化和設計簡單性也是重點。

為了滿足這些要求并通過 98% 的整體效率為更綠色、更安全的世界做出貢獻，實現功率因數校正 (PFC) 的超高效率水平至關重要。在這種情況下，標準 PFC 拓撲確實面臨限制，可以觀察到無橋 PFC 拓撲的趨勢，如連續傳導模式 (CCM) 圖騰柱 PFC [1]。PFC 應用中的升壓轉換器傳統上由 CCM 控制。在這種工作模式下，半橋開關主要在硬換向模式下工作，從而避免了使用硅 (Si) 超結 (SJ) MOSFET 的可能性。如果保持低成本是設計中的主要驅動因素，硅隔離柵雙極晶體管 ( IGBT ) 與反并聯碳化硅 (SiC) 二極管 是首選選項 [2]。

但是，對于高端應用，如果 Si SJ MOSFET（例如英飛凌的CoolMOS? 晶體管產品）) 在圖騰柱 PFC 半橋中實現，需要不同的控制策略。在這種情況下，三角電流模式 (TCM) [3] 會延長導通時間以恢復電感電流并獲得零電壓開關 (ZVS) 操作。然而，由于電感電流紋波較高，因此必須至少交錯兩個功率級。全 ZVS 操作可提高效率；然而，零件數量的增加需要更高的開關頻率來增加功率密度。此外，控制復雜性（與可變開關頻率交織）顯著增加。當 Si SJ MOSFET 在 CCM 操作的半橋配置中使用時，不能期望高效率。相反，甚至可能發生災難性故障 [4]。器件的OSS，以及 Si SJ MOSFET 固有體二極管的極高反向恢復損耗（圖 1）。

為克服這些困難并使在半橋 CCM 操作中使用 Si SJ MOSFET 成為可能，英飛凌科技開發并實施了一種有吸引力且簡單的解決方案。實施的創新原型以極具吸引力的性價比實現了 CCM 圖騰柱 PFC 拓撲的最高效率。在以下部分中，我們將介紹我們系統解決方案的工作原理和實測實驗結果。

Si SJ MOSFET 的高頻半橋操作

使用建議的解決方案，續流或“二極管模式”（圖 2 中的 Q2）Si SJ MOSFET的 C OSS電容被預充電到某個電平，例如 24 V（圖 1）。這種預充電極大地降低了與其輸出電容電荷 (Q OSS ) 和其體二極管在關斷轉換期間的反向恢復電荷 (Q rr )相關的損耗，因為這些電荷是由低電壓源提供的。結果是 Si SJ MOSFET 的換向損耗顯著降低。此外，圖騰柱 PFC 的正常 CCM 操作中的連續硬換向現在是可行的。

圖 1：Si SJ CoolMOS? 的半橋電容變化

建議的“預充電”解決方案需要一個高壓肖特基二極管（圖 2 中的 D1 和 D2）、一個低壓 (LV) MOSFET（圖 2 中的 Q3 和 Q4）和一個電容器（C HS_DP和 C LS_DP ) 半橋中的每個功率器件，以及兩個電源電壓，用于驅動 LV MOSFET 并提供預充電電壓。該解決方案還實現了電平轉換（自舉電容器）技術，使用傳統驅動器來提供驅動器電源和耗盡電壓（在圖 2 中分別以橙色和灰色突出顯示）。

在圖 2 的半橋配置中，考慮到連接到開關節點的電感器中積累的能量，Q2 通常在 Q1 關閉后通過軟開關開啟。然而，當 Q2 關斷時，電感電流不斷流過其體二極管，而當 Q1 導通時，體二極管電流會發生硬換向，導致災難性的后果。通過應用所提出的解決方案，Q rr被移除，同時，Q2 Si SJ MOSFET的輸出電容 (C OSS ) 中的電荷顯著減少，因此其相關損失。

驅動器輸入端包含的 R x -C x和 R y -C y濾波器網絡允許將 PWM 信號正確定時到半橋器件和添加的 LV 開關；因此，不需要來自控制器的額外 PWM 信號。

圖 2 中的電路圖描繪了使用建議解決方案的典型雙脈沖測試平臺。此設置配置反映了在 CCM 中運行的圖騰柱 PFC 中“二極管到開關轉換”的相同情況，其中“二極管模式”開關的硬換向發生在每個開關周期。

圖 2：在半橋配置中使用 CoolMOS? 的建議解決方案的電路圖。

使用建議的解決方案進行硬換向轉換

圖 3 顯示了在實現 Si SJ MOSFET Q1 和 Q2 的半橋換向期間發生的主要波形。為方便讀者，顯示在不同 PWM 事件中發生的轉換的時間軸未按比例顯示。

圖 3：建議解決方案的換向波形

在 t 0之前的狀態中，電感器通過 Q1 通電，這將在圖騰柱 PFC 中實現開關功能。一旦 Q1 關閉，電感電流就會流過 Q2，首先通過其體二極管，然后在 Q2 開啟后流過器件的通道。

在給定的時刻 (t 0 )，Q2 必須關閉，以便在開啟時電流將再次流過 Q1。經過一定的延遲時間后（由于Q2 柵極驅動器輸入端的 R y -C y網絡），Q2 的柵極-源極電壓信號也在 t 1處將其狀態更改為關閉。在任何半橋的強制死區時間內 (t 1 -t 2 )，電感電流通過 Q2 的體二極管續流。在此期間，開關節點鉗位至地，電壓降為 –V BD-Forward。此外，除了C HS_DP之外，所有用于驅動電壓和耗盡電壓的自舉電容器都被充電。

然后，在相應的死區時間之后，應用 PWM B，Q4 柵極驅動器輸入端的 C X R X網絡生成特定持續時間的脈沖。在t 2 時，預充電MOSFET Q4 導通，預充電電流（預充電I“二極管”）在C LS_DP -Q4 -D2-Q2 網絡中循環。該電流的有效循環取決于這樣一個事實，即這種預充電電流的幅度必須高于流經 Si SJ MOSFET Q2 體二極管的續流負載電流。在預充電電流 (t 3 ) 結束時，Q2 的本征體二極管停用，漏源電壓 (V DS,Q2) 預充電至 24 V，從而帶來以下好處：

該預充電電壓使半橋電容更接近非線性 C OSS曲線的拐點（圖 1）。

此時的換向損耗遠低于漏源電壓為負或接近零的點。如果沒有預充電，損耗將包括體二極管 Q rr損耗和與Q2 的Q OSS損耗相關的非常大的輸出電容。

如圖 3 所示，預充電電流波形有兩個峰值脈沖，第一個在 t 2和 t 3 之間，與 Q2 C OSS的充電有關，第二個（幅度較低）在t 2和 t 3之間t 3和t 4是由于與預充電回路的雜散電感的諧振。

當延遲的 PWM B 信號最終在 t 4到達 Q1 的柵極時，Q2的 C OSS已經耗盡了 20~24 V，這為二極管到開關的平滑過渡設置了階段。

當換向和瞬態事件在 Q1 和 Q2 中發生時，施加到預充電 MOSFET Q4 的脈沖持續時間超過 t 4。這樣做是為了保證 Si SJ MOSFET Q1 在導通期間的適當損耗。如果此脈沖短，則 Si SJ MOSFET 發生嚴重硬換向的可能性很高，如果長時間發生，則會產生破壞性結果。同樣，LV MOSFET 可以在雪崩中連續運行。

當 PWM B 信號變低時，與之前類似，由于Q1 柵極驅動器輸入端的 R Y C Y網絡，在 t 5設備完全關閉之前有一定的延遲。由于負載或電感電流，在通道完全關閉后，Q1的 C OSS將立即充電至 400 V，Q2的 C OSS將放電至 0 V，從而為 Q2 產生 ZVS 轉換。這就是 PFC 應用中“開關到二極管”轉換的情況。在這種情況下，高邊開關 (C HS_DP -Q3-D1)的預充電電路不會影響具有 Si SJ MOSFET 的半橋的運行。

當負載或電感器電流足夠高以允許相應的 C OSS充電和放電時，二極管的這種 ZVS 導通轉換是可能的。但是，如果此轉換時的電感電流不足以對半橋器件的 C OSS進行充電和放電，則會發生硬開關轉換。這種情況在圖 3 中顯示為 t 6之后的虛線。在這種情況下，施加到預充電 MOSFET Q3 的脈沖變為有效，并通過 C HS_DP使 Q1 C OSS充電至耗盡電壓–Q3-D1-Q1 網絡。一旦 Q2 導通，其漏源電壓將再次下降到接近于零，并且無需嚴重的硬開關即可實現“切換到二極管”的平滑過渡。

英飛凌演示板上的實驗結果

本文中提出的概念已經在3.3 kW 圖騰柱無橋 PFC 中進行了測試，開關頻率為 65 kHz，并使用了 SMD 組件。

圖 4：采用
CoolMOS? CFD7 和 S7 SJ MOSFET實現的 3.3 kW 圖騰柱 PFC 板的原型

圖 4 所示的演示板是英飛凌科技的系統解決方案，實現了表 1 所示的電源開關、二極管、驅動器和控制器。預充電電路已根據 [5] 設計，并根據到表 2 中編制的設計值。

表 1：在采用 Si
SJ CoolMOS?的 3.3 kW 圖騰柱評估板中使用的英飛凌產品

表2：半橋并聯使用2x IPT60R090CFD7時的預充電回路參數

圖 5 和圖 6 顯示了演示板的效率。測量的效率包括偏置消耗，但不包括風扇的功耗。就輸入電流性能而言，當負載高于標稱輸出功率的20%時，功率因數大于0.95，輸出功率高于標稱輸出功率的50%時，THD低于5%。最大效率在 1000 W 至 1500 W 輸出功率范圍內超過 98.9%，在測量功率范圍內超過 98%。借助 CoolMOS? CCM 圖騰柱 PFC 解決方案，可以將硅基效率提高到一個新的水平，使其成為具有成本吸引力的替代方案，補充了我們強大的寬帶隙解決方案。

圖 5：圖騰柱 PFC 的效率測量與建議的解決方案，包括偏置電源，并且不考慮風扇消耗

將 CoolMOS? 與 OptiMOS?、EiceDriver? 以及 650 V 碳化硅肖特基二極管相結合，可以在 PFC 級中達到接近 99% 的峰值效率。

結論

英飛凌使用簡單有效的預充電電路，可以耗盡 Si SJ MOSFET，從而將 Q OSS和 Q rr損耗降至最低，英飛凌現在可以在 CCM 圖騰柱 PFC 應用中使用 Si SJ MOSFET。

本文基于采用英飛凌CoolMOS? 超級結 MOSFET技術（CoolMOS? CFD7和CoolMOS? S7 SJ MOSFET）實現的圖騰柱 PFC 板演示板展示了這一創新概念的工作原理和實驗結果。

英飛凌的系統解決方案實現了功率開關、二極管、驅動器和控制器，借助 CoolMOS? 技術，它可以在 1000 W 至 1500 W 輸出功率范圍內實現超過 98.9% 的最大效率，在測量范圍內實現超過 98%功率范圍。

依靠英飛凌廣泛的產品和解決方案組合，轉換器系統設計人員能夠以理想的性價比達到 CCM 圖騰柱 PFC 的最高效率水平，并滿足高端服務器和電信應用的要求。

要了解有關我們的 CCM 圖騰柱 PFC 系統解決方案的更多信息，請訪問電路板頁面。

審核編輯：湯梓紅