采用開(kāi)關(guān)器件提高PFC效率

　　在CCM PFC中，通過(guò)改善MOSFET技術(shù)可以減少開(kāi)關(guān)損耗，甚至可通過(guò)SiC技術(shù)改善升壓二極管來(lái)減少MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗。

　　功率因數(shù)是一個(gè)數(shù)值參數(shù)，常用來(lái)衡量提供給交-直流變換器的輸入功率的質(zhì)量。最近功率因數(shù)補(bǔ)償(PFC)的標(biāo)準(zhǔn)，如IEC 61000-4-3，已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用到許多系統(tǒng)當(dāng)中，并且在交-直流電力系統(tǒng)市場(chǎng)中表現(xiàn)出增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。為了能夠達(dá)到這些標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)人員可以運(yùn)用被動(dòng)式與主動(dòng)式PFC設(shè)計(jì)技術(shù)，這種設(shè)計(jì)技術(shù)必須符合電力系統(tǒng)中的電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)。

　　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(kāi)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(kāi)關(guān)損耗。并且通過(guò)降低MOSFET的導(dǎo)通電阻，提高其開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)損耗決定，事實(shí)上開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)頻率。

　　CCM PFC中最值得關(guān)注的是減少M(fèi)OSFET與升壓二極管的傳導(dǎo)性與開(kāi)關(guān)損耗。如果您想設(shè)計(jì)一高性能的、且具有較小尺寸與較高的工作頻率的CCM PFC，其MOSFET要求如下：較小的導(dǎo)通電阻以減少傳導(dǎo)損耗；低CGD以減少開(kāi)關(guān)損耗；低QG以減少柵極驅(qū)動(dòng)功率；低熱阻。同樣，升壓二極管要求如下：tRR時(shí)間短以減少M(fèi)OSFET導(dǎo)通損耗；低QRR以減少二極管開(kāi)關(guān)損耗；小VF以減少傳導(dǎo)損耗；溫和的反向回縮特性以減少EMI；低熱阻。

　　MOSFET比較

　　圖3所示為Fairchild Semiconductor(飛兆半導(dǎo)體)公司的SuperFET 600-V MOSFET的橫截面，它運(yùn)用了電荷平衡技術(shù)(右)，另一個(gè)是傳統(tǒng)的平面型MOSFET(左)。一開(kāi)始便引起我們注意的差異是SuperFET元器件內(nèi)部的加厚p型柱。SuperFET所提供的低導(dǎo)通電阻所起的作用(>90%)在于N-型漂移區(qū)。加厚P型柱的作用是限制MOSFET輕摻雜外延區(qū)的電場(chǎng)。相比傳統(tǒng)的平面MOSFET，n-型外延層的電阻率急劇減少，同時(shí)保持擊穿電壓不變。高壓MOSFET的導(dǎo)通電阻降低后，可比傳統(tǒng)的

　　MOSFET的開(kāi)關(guān)特性隨著它的寄生電容的改變而改變。例如高壓SuperFET有源面積的減小直接導(dǎo)致輸入電容的減小，因此減少了柵極電荷。這導(dǎo)致導(dǎo)通延遲時(shí)間變短，需要的驅(qū)動(dòng)功率變小。當(dāng)我們比較SuperFET與平面MOSFET的電容時(shí)，VDS一接近10V(對(duì)SuperFET來(lái)說(shuō))CGD的值急速地減小，在導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)瞬態(tài)，較小的輸出電容可減小放電損耗。因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)的目的是使元件能夠承受住高速開(kāi)關(guān)瞬態(tài)下的電壓(dv/dt)與電流(di/dt)，這些元器件能夠在較高的頻率下可靠地工作，由于折算電阻的影響其品質(zhì)因數(shù)(FOM)只相當(dāng)于同等級(jí)平面器件的三分之一。

　　使用SuperFET的好處之一是它的低通導(dǎo)電阻減少了功率損耗。這允許設(shè)計(jì)人員可以不使用昂貴的冷卻系統(tǒng)并且減少了散熱器的尺寸。它的低柵極電荷同樣使得它更容易且更有效地在高頻下驅(qū)動(dòng)。這些特性都減少了系統(tǒng)的整體功率損耗。

　　二極管比較

　　硅Si肖特基二極管常作為小于300V的中低壓應(yīng)用，因?yàn)樵诼╇娏髋c正向?qū)▔航当３衷谌菰S的等級(jí)之內(nèi)時(shí)，它們顯示出很低的開(kāi)關(guān)損耗與正的溫度系數(shù)。然而這類(lèi)二極管對(duì)于高壓應(yīng)用來(lái)說(shuō)并不理想，因?yàn)楦邏簯?yīng)用中漏電流與正向?qū)▔航狄叩亩?。比較起來(lái)，SiC肖特基二極管在高壓領(lǐng)域更有吸引力。因?yàn)樘蓟璧膿舸╇妶?chǎng)是硅的10倍。此外SiC的寬帶隙容許較高的工作溫度[2]。另外，在開(kāi)關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，SiC肖特基二極管沒(méi)有反向恢復(fù)電流，這是因?yàn)樗鼪](méi)有額外的少數(shù)載流子。雖然寄生結(jié)電容確實(shí)產(chǎn)生了位移電流但可以忽略不計(jì)。因此在CCM PFC應(yīng)用中，由于SiC肖特基二極管優(yōu)越的反向回縮特性，可不依賴于元器件的溫度與正向傳導(dǎo)特性，使得SiC肖特基二極管與硅Si二極管相比能夠提供更大的功效。[3-7]

　　圖4所示為SiC肖特基二極管和硅二極管的反向恢復(fù)特性對(duì)比。在這個(gè)例子中，F(xiàn)airchild公司的速?gòu)?fù)硅二極管按照tRR和VF區(qū)分為三種類(lèi)型，隱形二極管具有快速反向回縮特性，超高速元件擁有最低的VF值。通過(guò)25℃時(shí)的反向恢復(fù)測(cè)試，硅二極管中出現(xiàn)了大量的反向恢復(fù)電流，而SiC肖特基二極管僅僅在電容中出現(xiàn)由p-n結(jié)反向偏壓形成的位移電流。SiC肖特基和硅二極管的V-I特性曲線均為溫度的涵數(shù)。正向電流較低時(shí)，溫度升高時(shí)VF減小。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，可觀察到肖特基勢(shì)壘兩端的電流呈指數(shù)特性。當(dāng)正向電流增加時(shí)，二極管的體電阻決定其正向偏置特性，并且肖特基二極管的VF隨溫度上升而增大。SiC肖特基二極管的帶隙越大，本征載流子濃度和運(yùn)行結(jié)溫就越高。就原理而論，硅二極管的最高結(jié)溫為150℃[8]，而SiC肖特基二極管有可能達(dá)到600℃。運(yùn)行溫度的增加允許其重量、體積、成本和熱量管理系統(tǒng)復(fù)雜性的全面減小。

　　另外，由于SiC肖特基二極管具有正溫度系數(shù)，因此與硅二極管相比，它們更適于在較高的電壓下并聯(lián)運(yùn)行。SiC肖特基二極管的低QRR不僅減少二極管的開(kāi)關(guān)損耗，而且能減少M(fèi)OSFET的導(dǎo)通損耗，使CCM PFC達(dá)到很高的能效。就算SiC二極管中的正向電流比硅二極管大，上述情況仍然成立。在MOSFET的導(dǎo)通瞬間，SiC肖特基二極管優(yōu)越的溫度特性可以降低漏電流峰值。并且設(shè)計(jì)人員可以使用較小的MOSFET來(lái)減低成本。

　　MOSFET/SiC二極管集成模塊

　　使用高壓SuperFET和一個(gè)SiC肖特基二極管組成的CCM PFC測(cè)試電路，具體地說(shuō)，將Fairchild公司的600-VN溝道SuperFET MOSFET(FCA20N60)和6A SiC肖特基二極管組合，與平面型MOSFET(FQA24N50)和超高速二極管(RURP860)組合進(jìn)行比較，比較內(nèi)容為開(kāi)關(guān)損耗與功效。此測(cè)試電路的工作頻率100kHz，輸出電壓和電流分別為400V與1A。導(dǎo)通時(shí)SuperFET的柵電阻是12Ω，關(guān)斷時(shí)為9.1Ω。

　　分別測(cè)量MOSFET與二極管的電壓和電流來(lái)估算元件的功率損耗。并且量測(cè)輸入與輸出功率來(lái)計(jì)算系統(tǒng)的功效。滿負(fù)荷下，MOSFET信號(hào)波形由高電平向低電平躍遷時(shí)，輸入為110Vac，開(kāi)關(guān)損耗通過(guò)VDS與ID的交叉區(qū)來(lái)測(cè)量。SuperFET開(kāi)關(guān)時(shí)間大大地降低。平面型MOSFET的關(guān)斷損耗為159μJ，SuperFET為125μJ(減小34μJ或21%)。

　　滿負(fù)荷下，MOSFET信號(hào)波形由低電平向高電平躍遷時(shí)，輸入為110Vac，在二極管與MOSFET中有5.3A的反向恢復(fù)電流通過(guò)(除電感電流以外），此電流來(lái)自于升壓硅二極管。然而SiC肖特基二極管僅僅有1.2A的位移電流，可忽略不計(jì)。所以使用硅二極管時(shí)MOSFET的開(kāi)通損耗為73.8μJ，使用SiC肖特基二極管時(shí)為28.9μJ(減少44.9μJ或61%)。

　　在此次測(cè)試中，滿負(fù)荷下二極管信號(hào)波形由高電平向低電平躍遷時(shí)，輸入為110Vac。硅二極管中的反向恢復(fù)電流峰值為5.3A，反向恢復(fù)電壓峰值為500V。在同樣情況下，SiC肖特基二極管中的反向恢復(fù)電流可忽略不計(jì)，反向恢復(fù)電壓為450V。這兩種MOSFET類(lèi)型的不同動(dòng)態(tài)特性形成不同的MOSFET開(kāi)通損耗。由于SiC二極管的恢復(fù)時(shí)間為零，因此SiC肖特基二極管的關(guān)斷損耗要比硅二極管低大約78%。

　　圖5所示為開(kāi)關(guān)損耗一覽，將SuperFET與SiC肖特基二極管組合后，可有效減少開(kāi)關(guān)損耗。與平面型MOSFET相比，SuperFET能夠降低21%的關(guān)斷損耗。與速?gòu)?fù)二極管相比，SiC二極管能夠降低61%的開(kāi)通損耗。當(dāng)然，使用SiC肖特基二極管代替速?gòu)?fù)硅二極管與傳統(tǒng)的MOSFET組合，可以使MOSFET的關(guān)斷損耗降低78%，使其開(kāi)通損耗降低23%。圖6所示為不同器件組合的功效測(cè)量結(jié)果。從圖中不難看出，在整個(gè)運(yùn)行范圍中，MOSFET/SiC肖特基二極管的組合對(duì)提高功效起到了很重要的作用。甚至在大電流時(shí)(滿負(fù)荷低輸入電壓），改善的效果也很明顯，在同樣的情況下，MOSFET/SiC肖特基二極管組合的功效比傳統(tǒng)器件高出4%。對(duì)于開(kāi)關(guān)損耗的分析證明，通過(guò)減小SiC肖特基二極管的反向恢復(fù)電荷來(lái)減低MOSFET開(kāi)通損耗，是提高功效的主要途徑。最終結(jié)果是增加了CCM PFC下的功率密度。