最高能效，最低成本: BC2

摘要

本文論述一個新穎的簡單的適用于各種類型硬開關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的電能回收電路，這個電路只需使用幾個意法半導(dǎo)體的元器件：一個微型線圈、兩個耦合輔助線圈和兩個優(yōu)化的PN二極管。而且，這個電路完全兼容任何一種PWM控制器。我們在這里論述這個成本最低且能效更高的獨特的電能回收電路的基本設(shè)計方法。為了突出這個拓?fù)涞暮锰?，我們在一個90-264 VRMS的通用系列450W硬開關(guān)式功率因數(shù)校正器內(nèi)，把這個電路與8 A 碳化硅肖特基二極管進(jìn)行了比較；為了更全面客觀的比較，我們使用了幾個開關(guān)頻率(72 kHz、140 kHz和200 kHz)。比較結(jié)果顯示，新電路的能效高于碳化硅肖特基二極管。此外，這個包括專用二極管和小線圈在內(nèi)的整流級具有很高的成本效益，符合大眾市場的預(yù)期。

1. 前言

最大限度地降低功率損耗，在不增加成本的前提下提高功率密度，是現(xiàn)代高能效開關(guān)電源面臨的主要挑戰(zhàn)。開關(guān)電源的設(shè)計目標(biāo)是降低功率的通態(tài)損耗和開關(guān)損耗。

不顯著影響成本和功率密度而達(dá)到優(yōu)化功率通態(tài)損耗的目的是很難的，因為實現(xiàn)這個目標(biāo)需要更多的材料，例如，晶片和銅線面積。與通態(tài)損耗不同，降低功率開關(guān)損耗而不大幅提高電源成本比較容易做到。降低功率開關(guān)損耗有兩個主要方法：改進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)的動態(tài)特性或電路拓?fù)洹?br>
采用碳化硅和氮化鎵等材料的新型二極管可大幅降低開關(guān)損耗。然而，這些新產(chǎn)品的能效成本比并不適用于大眾市場，如臺式機(jī)電腦和服務(wù)器電源。

本文重點論述的專利電路[1]采用軟開關(guān)法，能效/成本/功率密度/EMI比優(yōu)于碳化硅高壓肖特基二極管，因此符合市場預(yù)期。

1.1. 二極管導(dǎo)通損耗

從200 W到2000W之間的大眾市場電源通常需要一個連續(xù)導(dǎo)通（CCM）的功率因數(shù)校正器（PFC）。要想提高功率轉(zhuǎn)換器的功率密度，就應(yīng)該提高開關(guān)頻率。然而，功率因數(shù)校正器的主要開關(guān)損耗是功率開關(guān)/整流器換向單元的損耗，提高開關(guān)頻率意味著更高的損耗。因為PN二極管產(chǎn)生的電壓電流交叉區(qū)損耗和反向恢復(fù)損耗[2] ，如圖1.1所示，所以，主要功率損耗發(fā)生在功率開關(guān)的導(dǎo)通階段。

圖1:導(dǎo)通損耗與二極管類型和電流軟開關(guān)法對比

為降低PN二極管整流器引起的功率損耗，最近多家半導(dǎo)體廠家推出了采用碳化硅和氮化鎵技術(shù)的高壓肖特基二極管。盡管半導(dǎo)體廠商付出努力，但是仍然不能消除在晶體管導(dǎo)通過程中發(fā)生的電流電壓交叉區(qū)，如圖1.2所示的。與PN二極管不同，碳化硅二極管能夠提高dI/dt斜率，而二極管的反向恢復(fù)電流沒有提高。因此，開關(guān)時間變小，導(dǎo)通功率損耗也隨著變小，但是不能徹底消失。今天，為遵守EMI電磁干擾防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，在功率因數(shù)校正器設(shè)計內(nèi)，碳化硅二極管導(dǎo)通dI/dt最大值約1000 A/μs，而傳統(tǒng)的PN二極管的dI/dt值為 300 A/μs。

1.2. 軟導(dǎo)通法

另一種降低導(dǎo)通損耗的方法是使用一個軟開關(guān)法，增加一個小線圈L來控制dI/dt斜率。該解決方案消除了在晶體管導(dǎo)通過程中發(fā)生的電流/電流交叉區(qū)和PN二極管反向恢復(fù)電流效應(yīng)，如圖1.3所示。電流軟開關(guān)解決方案不是新技術(shù)，但是必須達(dá)到相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：

1. 在每個開關(guān)周期重置線圈L的電流（不管電流、輸入和輸出電壓如何變化）。

2. 無損恢復(fù)線圈貯存的感應(yīng)能量。

3. 抑制半導(dǎo)體器件上的任何過壓和過流應(yīng)力。

4. 當(dāng)增加任何器件時保持成本不增加。

5. 保持相似的功率密度。

很多電路都可以分為兩大類：有源恢復(fù)電路和無源恢復(fù)電路。

1.3. 有源恢復(fù)電路
在有源恢復(fù)電路中，零壓轉(zhuǎn)換(ZVT)電路[3]是設(shè)計人員非常熟悉的電路，如圖2所示。這種電路可以根除導(dǎo)通功率損耗和關(guān)斷功率損耗。

圖2: ZVT：有源恢復(fù)電路

從理論上講，因為所有的開關(guān)損耗都被消除，零壓轉(zhuǎn)換(ZVT)是功率因數(shù)校正（PFC）應(yīng)用最理想的拓?fù)?。此外，不管輸入和輸出功率如何變化，這種電路都能正常工作。然而，在實際應(yīng)用中，升壓二極管DB的反向恢復(fù)電流對零壓轉(zhuǎn)換電路的影響非常明顯，致使電感和最小占空比都受到一定程度的限制。因為小線圈L上的重置電流，D2 的反向恢復(fù)電流包含高應(yīng)力電壓和寄生阻尼振蕩。最后，PN二極管的動態(tài)特性影響零壓轉(zhuǎn)換(ZVT)電路的總體能效，因為這個晶體管的導(dǎo)通時間應(yīng)該增加，而且為降低半導(dǎo)體器件遭受的電應(yīng)力，必須增加一個有損緩沖器。

從成本上看，零壓轉(zhuǎn)換(ZVT)電路需要增加一個功率MOSFET開關(guān)管和一個專用的PWM控制器。雖然市面有多種不同的零壓轉(zhuǎn)換(ZVT)電路，但是仍然無法克服上述技術(shù)難題，而且高昂的成本根本不適合大眾市場應(yīng)用。因此，無源恢復(fù)電路更有吸引力。

1.4. 無源恢復(fù)電路

圖3所示電路是一個很好的無源恢復(fù)電路示例[4]；只需另增兩個二極管和一個諧振電容。

圖3:無源恢復(fù)電路

當(dāng)外部條件不變時，這個電路工作良好。不過，在功率因數(shù)校正應(yīng)用中設(shè)計這種電路難度很大，這是因為小線圈的重置電流受到升壓二極管的反向恢復(fù)電流和外部電氣條件的限制。

盡管無損無源電路只需很少的元器件，不幸地是因為技術(shù)原因，這種電路在功率因數(shù)校正應(yīng)用中不可行。這個示例表明，雖然電流緩沖法已被人們熟知，但是在不影響前文提到的五大標(biāo)準(zhǔn)的前提下，通過使用電流緩沖法恢復(fù)小線圈L的能量是目前無法克服的技術(shù)挑戰(zhàn)。