采用SiC MOSFET的3kW圖騰柱無橋PFC和次級端穩(wěn)壓LLC電源

本文作者：Jonathan Harper 和 Jason Yu，來源：安森美微信公眾號

節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)和客戶需求正在推動更高效率和更小尺寸的電源解決方案，對標(biāo)準(zhǔn)ACDC電源進(jìn)行功率因數(shù)校正 (PFC) 的要求日益普遍，通過減少諧波含量引起的電力線損耗，從而降低對交流電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的壓力。而設(shè)計(jì)緊湊高效的 PFC 電源是一個(gè)復(fù)雜的開發(fā)挑戰(zhàn)。

本文將討論3kW PFC單相交流輸入電源的設(shè)計(jì)，該電源具有超過40 W/in3的功率密度，滿載效率為98.4%。表1總結(jié)了其關(guān)鍵性能特征，圖1顯示了該電源的框圖。借助采用SiC器件的高頻PFC快橋、先進(jìn)的圖騰柱無橋PFC控制器，以及工作頻率高達(dá)150kHz的高頻LLC級，在輸出級上通過高效率全橋同步整流，實(shí)現(xiàn)高功率密度。

圖1.采用SiC MOSFET的3kW圖騰柱PFC和次級端穩(wěn)壓LLC電源

3kW電源綜述——PFC級

圖1的左側(cè)顯示了圖騰柱無橋PFC級。在300 W超高密度電源的論文中，已對圖騰柱PFC概念進(jìn)行了詳細(xì)說明，但為了方便起見，本文稍后將會再次介紹。該圖騰柱PFC控制器為NCP1681，其可以在連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 和臨界導(dǎo)通模式(CrM)下運(yùn)行。3kW 的高功率輸出需要使用CCM 模式，以確保有效利用電感，若使用 DCM 會導(dǎo)致需要一個(gè)大電感且電流峰值大幅增加。

電流互感器CT1和CT2用于準(zhǔn)確檢測電流。圖騰柱無橋PFC使用一個(gè)快速橋臂和一個(gè)慢速橋臂。慢速橋臂使用安森美 FCH023N065S3L4 超結(jié) MOSFET，由 FAN7191 隔離結(jié)半橋柵極驅(qū)動器驅(qū)動?？焖贅虮凼褂冒采繫1 650 V SiC MOSFET (NTHL045N065SC1)，由更快速的NCP51561隔離結(jié)半橋柵極驅(qū)動器驅(qū)動。

啟動時(shí)，采用由FSL538 AC-DC穩(wěn)壓器驅(qū)動的輔助電源，為初級端和次級端提供電源。PFC開始啟動直到電壓達(dá)到穩(wěn)定值，在圖騰柱 PFC控制器NCP1681引腳上置位PFCOK信號，通過光耦合器為次級端控制器上電。

圖騰柱PFC控制器NCP1681具有以下功能：

圖騰柱PFC控制器必須從在正交流相位期間使用低壓側(cè) MOSFET 開關(guān)作為升壓開關(guān)，改變?yōu)樵谪?fù)交流相位期間使用高壓側(cè) MOSFET 開關(guān)作為升壓開關(guān)

圖騰柱PFC控制器可以開關(guān)高壓側(cè) MOSFET 以在正交流相位期間打開Boost升壓電路同步整流，并開關(guān)低壓側(cè) MOSFET 以在正交流相位期間打開同步整流，從而提高效率。在輕負(fù)載時(shí)，開關(guān)MOSFET 的額外損耗超過低導(dǎo)通損耗帶來的好處，因此同步整流被停用。

圖騰柱 PFC 控制器可以開關(guān)低速器件，通過設(shè)置圖騰柱電路的極性可提高效率。

圖騰柱 無橋PFC 控制器NCP1681能自動處理其他有關(guān)較佳死區(qū)時(shí)間和過零性能等復(fù)雜問題，詳情請參見 NCP1681 數(shù)據(jù)表[1]。

圖1顯示 NCP1681 有六個(gè)輸入端。兩個(gè)連接（AC+ 和 AC-）用于確定交流線路的相位，一個(gè)連接用于測量 PFC 控制所需的總線電壓。通過 CS 引腳和 ZCD 引腳執(zhí)行 PFC 中的電流監(jiān)控。該 ZCD 電流測量有助于確定臨界導(dǎo)通模式下（頻率箝位） t2 周期何時(shí)結(jié)束，也可用于過流保護(hù)。漏極電壓振鈴監(jiān)控位于 AUX 引腳上，用于確定漏極電壓振鈴中的最小值，從而在頻率箝位臨界導(dǎo)通模式下實(shí)現(xiàn)效率優(yōu)化。

除控制功能外，這些引腳上檢測到的電壓電平和波形還用于保護(hù)和其他控制目的。例如，低壓/高壓和掉電保護(hù)使用 AC+ 和 AC- 引腳上測得的電壓；欠壓、軟過壓、快速過壓保護(hù)和動態(tài)響應(yīng)使用 FB 輸入端測得的電壓。

VCC 連接來自 DC-DC 轉(zhuǎn)換器級。一旦 LLC 控制器高壓啟動電路提供的能量足以啟動 PFC，它就會開始工作。成功啟動后，LLC 變壓器輔助繞組和調(diào)節(jié)器為兩個(gè)控制器供電。圖騰柱控制器附近的電路板上有一個(gè)熱敏電阻，可在控制器中集成的過熱保護(hù)功能之外，提供額外的過熱保護(hù)。

此設(shè)計(jì)使用圖騰柱 PFC 控制器的跳過 (SKIP) 或待機(jī)模式。極性指示信號顯示器件檢測到的是交流正半周期還是負(fù)半周期。饋入 LLC 信號的 PFC OK 信號指示大電解電容上的正確電壓范圍。

3kW電源綜述——LLC級

圖 2 顯示用于 3 kW 高密度電源中的 LLC 級。S1 和 S2 構(gòu)成一個(gè)半橋。諧振橋由三個(gè)元件構(gòu)成：電感Lr、電容Cr以及一個(gè)變壓器，其匝數(shù)比為n，大磁化電感為Lm。輸出變壓器連接到全橋配置中的四個(gè)MOSFET、輸出電容和負(fù)載。

圖 2.具有中心抽頭半橋輸出級的半橋 LLC 諧振轉(zhuǎn)換器

此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在正確運(yùn)行時(shí)支持 S1 和 S2 的零電壓開關(guān)。圖 9 顯示了 S1 (QUP) 兩端的電壓和流經(jīng) S1 (QUP) 電流的仿真波形。當(dāng)漏極電流為負(fù)時(shí)，S1(QUP) 導(dǎo)通，因此反向時(shí)會有傳導(dǎo)電流（當(dāng)器件導(dǎo)通硅MOSFET 或 SiC MOSFET時(shí)，體二極管將導(dǎo)通）。與大約 400 V 的 VBUS 電壓相比，電壓轉(zhuǎn)換中只有幾伏電壓，這顯著降低開關(guān)損耗。

圖 3.LLC 波形

LLC 轉(zhuǎn)換器的增益頻率環(huán)路在 300 W 超高密度電源白皮書[2] 中有更詳細(xì)的描述。

NCP4390 控制器[3]控制應(yīng)用中顯示的六個(gè) MOSFET。初級端 MOSFET 由電隔離雙半橋驅(qū)動器NCP51561直接驅(qū)動。隔離結(jié)半橋驅(qū)動器 NCP81705 驅(qū)動次級端 MOSFET，其隔離電壓額定值低于初級端 PFC 器件，但工作開關(guān)頻率更高。我們注意到，設(shè)計(jì)中使用了四種不同的半橋驅(qū)動器，旨在滿足特定的驅(qū)動要求：

低速隔離驅(qū)動 600 V；

高速隔離 600 V；

高速電隔離驅(qū)動 5 kV；

極高速隔離結(jié)驅(qū)動 180 V。

NCP4390 是一款高效電流模式控制器。在開關(guān)周期內(nèi)進(jìn)行電流檢測并整合（詳情請參閱 [3]），因此嚴(yán)格來說，它是一個(gè)充電模式控制器，更容易控制 LLC 的動態(tài)響應(yīng)。它還顯著改善了負(fù)載調(diào)節(jié)性能——該控制可以補(bǔ)償負(fù)載突變，無需等待電壓變化和通過諧振電路做出頻率響應(yīng)。

3kW電源性能總結(jié)

有關(guān)電源性能的更多詳細(xì)信息，請參閱我們的電源研討會演示文稿 [4]。整體設(shè)計(jì)符合最小外形尺寸，并在寬功率范圍內(nèi)具有出色的能效。

圖 4. 3 kW 電源性能總結(jié)

功率因數(shù)校正——連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) / 多模式 (CrM-CCM)

本小節(jié)重述了 300 W 超高密度電源白皮書中的內(nèi)容，詳述以 SiC 解決方案取代 GaN 解決方案。

圖 5.橋式整流器后接單相 PFC 級

圖 5 所示電路包括 4 個(gè)橋式整流二極管和 1 個(gè)升壓二極管。本文介紹的 300 W 電源具有高效率的三個(gè)原因之一是采用了圖騰柱拓?fù)?，該結(jié)構(gòu)去除了橋式整流器，并使用快速開關(guān) MOSFET 取代升壓二極管。圖騰柱拓?fù)淙コ苏髌?，具體說明如下——考慮下面圖 6a 中的電路。電感、電容、MOSFET S1 和標(biāo)記為 S2 的二極管構(gòu)成了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)升壓電路，將以正弦正半波工作。旁路二極管可防止在啟動或特定異常情況下發(fā)生電感飽和。標(biāo)記為 SR1 的附加二極管可在輸入電壓處于負(fù)相時(shí)保護(hù)電路并阻止運(yùn)行——這就是標(biāo)準(zhǔn)升壓電路的附加部分。

圖 6b 中的電路顯示了正弦負(fù)半波所需的升壓電路。電感、電容、MOSFET S2 和標(biāo)記為 S1的二極管構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)升壓電路的反相版本，并在升壓電路導(dǎo)通狀態(tài)路徑中額外配備了一個(gè)二極管 SR2。

圖 6.正相和負(fù)相升壓電路

圖 7 顯示了圖 6 中的電路與圖騰柱無橋 PFC 電路標(biāo)準(zhǔn)圖的組合。電路中有兩個(gè)二極管（SR1 和 SR2），可以用 MOSFET 代替，以獲得更高的效率。這些二極管在圖騰柱工作期間導(dǎo)通，但僅在 50/60 Hz 時(shí)用作開關(guān)。旁路二極管僅在啟動時(shí)導(dǎo)通，因此使用 MOSFET 代替它們沒有任何好處。

圖 7.采用二極管的圖騰柱 PFC 電路

圖 8 顯示了采用高速 SiC MOSFET 和低速超級結(jié) MOSFET 的圖騰柱 PFC 拓?fù)洹Ｔ谡氩ㄆ陂g，SR1 在整個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通，并為圖 5a 所示的同步升壓電路提供接地路徑。S1 在異步升壓中充當(dāng)升壓開關(guān)，S2 在異步升壓中充當(dāng)二極管。同樣，在負(fù)半波期間，SR2 在整個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通，并為圖 5b 所示的電路提供接地路徑。在異步升壓中，S2 充當(dāng)升壓開關(guān)，S1 則充當(dāng)二極管。

圖 8.采用 SiC 和 SJ MOSFET 的圖騰柱 PFC 電路

元件 SR1 和 SR2 在低頻下開關(guān)工作；因此它們可以是低速器件。電源使用超級結(jié) MOSFET 實(shí)現(xiàn)此功能，并需要附加電容。如果不加電容，過零轉(zhuǎn)換太快，會導(dǎo)致潛在的 EMI 問題。如果電容太大，則 THD 性能會變差。NCP1681 控制器具有特殊的過零序列脈沖，可優(yōu)化過零性能。

元件 S1 和 S2 使用 SiC MOSFET 實(shí)現(xiàn)，使用SiC 是3kW電源實(shí)現(xiàn)高功率密度的關(guān)鍵因素。

審核編輯 黃宇