利用開關(guān)器件提高PFC效率的實(shí)現(xiàn)分析

為了滿足能源之星（ENERGY STAR）等規(guī)范的要求以及消費(fèi)者降低碳排放的愿望，功率電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)正在不斷努力提高系統(tǒng)效率，以求盡量接近額定100%效率的終極目標(biāo)。此外，目前調(diào)節(jié)器實(shí)際上需要在電源第一級(jí)采用功率因數(shù)校正（Power Factor Correction，PFC），以盡量提高功率因數(shù)（PF），減少電力線的損耗。功率因數(shù)的大小與電路的負(fù)荷性質(zhì)有關(guān)，如白熾燈泡、電阻爐等電阻負(fù)荷的功率因數(shù)為1，一般具有電感性負(fù)載的電路功率因數(shù)都小于1.功率因數(shù)是電力系統(tǒng)的一個(gè)重要的技術(shù)數(shù)據(jù)。功率因數(shù)是衡量電氣設(shè)備效率高低的一個(gè)系數(shù)。功率因數(shù)低，說(shuō)明電路用于交變磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換的無(wú)功功率大，從而降低了設(shè)備的利用率，增加了線路供電損失。所以，供電部門對(duì)用電單位的功率因數(shù)有一定的標(biāo)準(zhǔn)要求。
　　方法之一就是運(yùn)用被動(dòng)PFC的低成本解決方案，但是這一方案需要一個(gè)笨重的大體積LC濾波器。主動(dòng)PFC廣泛用于減少系統(tǒng)濾波器電感線圈的尺寸與重量。因此，增加效率與功率密度是主動(dòng)PFC方案的關(guān)鍵設(shè)計(jì)因素。對(duì)于大功率交-直流變換器來(lái)說(shuō)，連續(xù)傳導(dǎo)模式（CCM）升壓型主動(dòng)PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更受歡迎。與非連續(xù)傳導(dǎo)模式（DCM）和臨界傳導(dǎo)模式CRM）不同的是，CCM PFC產(chǎn)生的波紋電流更小，可簡(jiǎn)化EMI濾波器設(shè)計(jì)以及保持小負(fù)荷下的穩(wěn)定性。因此CCM PFC不僅廣泛用于服務(wù)器與遠(yuǎn)程通信的電源供給，而且可用于平面顯示器的電源供給。
　　按照功率變換器PFC改善功率密度的設(shè)計(jì)趨勢(shì)，設(shè)計(jì)人員必須減少系統(tǒng)損耗與整個(gè)系統(tǒng)的尺寸、重量，或者增加開關(guān)頻率，集成有源元件。
　　一種新型的MOSFET/二極管組合可以實(shí)現(xiàn)較高的功效，減少開關(guān)損耗。并且通過(guò)降低MOSFET的導(dǎo)通電阻，提高其開關(guān)速度完成CCM PFC控制器的設(shè)計(jì)。上述性能的改善，都離不開一種具有低反向恢復(fù)電荷（QRR）的SiC肖特基二極管。下面在一個(gè)400W CCM PFC應(yīng)用當(dāng)中，將其與常用的硅Si二極管/平面型MOSFET的組合方式進(jìn)行比較，可看出本文所述MOSFET/二極管組合的優(yōu)點(diǎn)。
　　與DCM升壓電感的恒流相比，CCM下的PFC具備更多優(yōu)勢(shì)。通過(guò)EMI濾波的電流要比DCM或CRM中小得多，因此這些優(yōu)勢(shì)在大功率設(shè)計(jì)中更為明顯。在一般情況下，MOSFET的功率損耗通常由它的開關(guān)損耗決定，事實(shí)上開關(guān)損耗是由分立升壓二極管的反向回縮特性所引起的，而上述這個(gè)根源取決于工作電流與二極管溫度。這些因素導(dǎo)致了二極管與MOSFET功率損耗的增加，進(jìn)而影響到變流器的性能。
　　
　　圖1與圖2所示為CCM PFC的工作情況，包括電流和電壓波形，可看出低QRR對(duì)PFC二極管的重要性。一開始，二極管D1引入輸入電流，同時(shí)還有二極管中的少量積累電荷。在開關(guān)導(dǎo)通的過(guò)程中，MOSFET M1導(dǎo)通，二極管D1關(guān)斷。巨大的導(dǎo)通電流流過(guò)MOSFET，除了經(jīng)整流的輸入電流以外還包括D1的反向恢復(fù)電流與放電電流。一般情況下，電流的變化率通過(guò)M1的封裝電感及其他存在于外部回路的寄生電感進(jìn)行限制。二極管電流波形的負(fù)值區(qū)域便是反向恢復(fù)電荷QRR，其中時(shí)間間隔長(zhǎng)度（t0到t2）是反向恢復(fù)時(shí)間tRR.在t0與t1之間時(shí)，二極管保持正向偏置，因此MOSFET電壓為VOUT+VF.在t1時(shí)間，p-n結(jié)附近的積累電荷被耗盡。二極管反向電流持續(xù)存在，直至消除所有殘留的少量積累電荷。在t2時(shí)間，這些電流基本上為零，二極管在反向偏置條件下達(dá)到穩(wěn)態(tài)。［1］這些由硅Si二極管反向恢復(fù)特性所引起功率損耗，限制了CCM PFC的功效與開關(guān)頻率。