為功率因數(shù)校正應(yīng)用選擇合適的MOSFET

Vishay Siliconix設(shè)計(jì)和生產(chǎn)面向工業(yè)、可再生能源、計(jì)算、消費(fèi)及照明市場(chǎng)的高壓MOSFET(HVM)。我們擁有電壓范圍為50 V至1000 V的廣泛器件，其中采用我們最新超結(jié)技術(shù)的器件的電壓范圍為500 V至650 V 。本設(shè)計(jì)指南的目的是幫助設(shè)計(jì)工程師在其功率因數(shù)校正(PFC)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)盡可能高的MOSFET效率。

功率因數(shù)校正設(shè)計(jì)

如圖1所示的PFC校正電路塊是一個(gè)重要子系統(tǒng)，在許多情況下是輸出功率不低于65 W的電源的必備子系統(tǒng)(依據(jù)EN61000-3-2)。該電路用于使輸入線(xiàn)路電流與AC電壓波形相配，在大多數(shù)情況下使輸出電壓上升至常見(jiàn)的400 VDC。

圖1：功率因數(shù)校正原理圖

“功率因數(shù)”為實(shí)際功率(P = 瓦特)與表觀(guān)功率(VA = 伏安)的比率。這方面的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)盡可能接近于1的單位功率因數(shù)。對(duì)于完全相同的輸出功率，低功率因數(shù)負(fù)載比高功率因數(shù)負(fù)載會(huì)消耗更多無(wú)功電流。較低功率因數(shù)設(shè)計(jì)的較大電流會(huì)增加系統(tǒng)的能量損失，造成電力公司在輸電過(guò)程中浪費(fèi)大量電能。圖1a和1b顯示了PFC對(duì)線(xiàn)路電流及其諧波的影響。

圖1a. 沒(méi)有PFC電路的線(xiàn)路電壓和電流 1b. 具有PFC電路的波形

在沒(méi)有PFC的圖1a中，電流只在周期的短時(shí)間期間來(lái)自AC電源。這導(dǎo)致較差的功率因數(shù)和高達(dá)115 %的過(guò)多諧波。雖然系統(tǒng)只使用了158 W可用功率，但輸電系統(tǒng)為提供它卻消耗了272伏安。圖2a顯示了在相同線(xiàn)路上實(shí)施PFC的好處。這時(shí)功率因數(shù)為99.9 %，諧波降至3 %。電流在整個(gè)周期中都來(lái)自AC線(xiàn)路，沒(méi)有浪費(fèi)過(guò)多VA成分。

可以注意到，功率因數(shù)校正和諧波電流下降并非同義詞。例如，在高度電感性負(fù)載中，電流可能以完美正弦波形滯后于電壓。這會(huì)導(dǎo)致較差的功率因數(shù)和高無(wú)功功率，沒(méi)有任何諧波。而諧波電流豐富的失真波形通常具有所有不合需要的特性。PFC電路不只校正功率因數(shù)，還降低諧波電流。

目前，有多種不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電子設(shè)備所用電力的質(zhì)量。EN61000-3-2要求輸入功率大于75 W的所有系統(tǒng)都要降低諧波電流。80 Plus電流認(rèn)證要求功率因數(shù)為0.9或更高。

在PFC電路中，MOSFET的損耗占總損耗的約15 %至20 %。在使用校正器件后，PFC效率可實(shí)現(xiàn)總共0.33 %增加(表1)。在500 W輸出功率下，計(jì)算結(jié)果是MOSFET功率損耗可減小2 W。

表1：基于總PFC功率損耗的MOSFET損耗計(jì)算

Vishay Siliconix針對(duì)規(guī)定的工作條件和5 W至1000 W輸出功率級(jí)編制了最重要的兩種600 V和650 V器件的列表，以幫助設(shè)計(jì)工程師在PFC設(shè)計(jì)中選擇最合適的MOSFET。表2列出了規(guī)定的工作條件，表4列出了每種功率級(jí)的最重要兩種E系列超結(jié)技術(shù)器件。雖然主要標(biāo)準(zhǔn)是效率，但表中提供了不止一種器件選擇，以滿(mǎn)足成本、封裝或更高電壓降額等其他要求。

PFC設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)使用的MOSFET器件列表

表4中的器件是使用針對(duì)新應(yīng)用的品質(zhì)因數(shù)(FOM)而選擇的，該品質(zhì)因數(shù)側(cè)重于最大限度減小器件的總損耗。雖然包括針對(duì)導(dǎo)電損耗的導(dǎo)通電阻(RDS(on))和針對(duì)開(kāi)關(guān)損耗的柵電荷(Qg)，但FOM并非簡(jiǎn)單的二者之積。為說(shuō)明開(kāi)關(guān)損耗，使用了器件的Qgs和Qgd的一部分及其輸出容值(Coss)。選擇最合適的器件時(shí)使用了以下工作條件(參見(jiàn)表2)。

表2：功率因數(shù)校正設(shè)計(jì)條件

推薦器件的列表在“封裝”位置包括一個(gè)“x”。在相同電氣特征下，每種器件有許多可選封裝。實(shí)際使用的封裝取決于功率級(jí)和允許的MOSFET占位面積。圖2定義了不同零件號(hào)的封裝、額定電流、電壓和器件技術(shù)

定義：Vishay高壓MOSFET零件號(hào)：SiHxDDNFFGG

圖2：零件號(hào)定義

對(duì)于提供的許多封裝選項(xiàng)，表3列出了不同封裝的建議最大額定功率。

基于封裝類(lèi)型的推薦功率等級(jí)

表3：基于封裝類(lèi)型的最大功率級(jí)

注：

* 如果使用散熱性能增強(qiáng)的多層PCB，則該封裝可在更高功率級(jí)下使用。

** 如果使用交錯(cuò)式(interleaved)PFC設(shè)計(jì)，則輸出功率最大可達(dá)750 W(使用兩個(gè)TO-220)。在非交錯(cuò)式設(shè)計(jì)中并聯(lián)兩個(gè)TO-220或TO-220F允許最大750 W。

結(jié)合設(shè)計(jì)條件、器件零件號(hào)含義和每種封裝類(lèi)型的最大建議值，表4顯示了針對(duì)不同功率級(jí)的相應(yīng)器件。

該列表顯示了許多不同器件。設(shè)計(jì)工程師可按照電壓、效率或價(jià)格來(lái)挑選最適合自己應(yīng)用的器件。

功率因數(shù)校正MOSFET選型指南

表4：基于PFC輸出功率級(jí)的器件選型工具

帶有“x”的器件可使用多種封裝;帶有“G”的器件必須使用TO-247封裝。