利用開關(guān)器件提高PFC效率的實現(xiàn)

為了滿足能源之星(ENERGY STAR)等規(guī)范的要求以及消費者降低碳排放的愿望，功率電子產(chǎn)品設(shè)計團隊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。此外，目前調(diào)節(jié)器實際上需要在電源第一級采用功率因數(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)的大小與電路的負荷性質(zhì)有關(guān)， 如白熾燈泡、電阻爐等電阻負荷的功率因數(shù)為1,一般具有電感性負載的電路功率因數(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)備效率高低的一個系數(shù)。功率因數(shù)低，說明電路用于交變磁場轉(zhuǎn)換的無功功率大， 從而降低了設(shè)備的利用率，增加了線路供電損失。所以，供電部門對用電單位的功率因數(shù)有一定的標準要求。

方法之一就是運用被動PFC的低成本解決方案，但是這一方案需要一個笨重的大體積LC濾波器。主動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PFC方案的關(guān)鍵設(shè)計因素。對于大功率交-直流變換器來說，連續(xù)傳導模式(CCM)升壓型主動PFC拓撲結(jié)構(gòu)更受歡迎。與非連續(xù)傳導模式(DCM)和臨界傳導模式CRM)不同的是，CCM PFC產(chǎn)生的波紋電流更小，可簡化EMI濾波器設(shè)計以及保持小負荷下的穩(wěn)定性。因此CCM PFC不僅廣泛用于服務(wù)器與遠程通信的電源供給，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)計趨勢，設(shè)計人員必須減少系統(tǒng)損耗與整個系統(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/二極管組合可以實現(xiàn)較高的功效，減少開關(guān)損耗。并且通過降低MOSFET的導通電阻，提高其開關(guān)速度完成CCM PFC控制器的設(shè)計。上述性能的改善，都離不開一種具有低反向恢復電荷(QRR)的SiC肖特基二極管。下面在一個400W CCM PFC應(yīng)用當中，將其與常用的硅Si二極管/平面型MOSFET的組合方式進行比較，可看出本文所述MOSFET/二極管組合的優(yōu)點。

與DCM升壓電感的恒流相比，CCM下的PFC具備更多優(yōu)勢。通過EMI濾波的電流要比DCM或CRM中小得多，因此這些優(yōu)勢在大功率設(shè)計中更為明顯。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，而上述這個根源取決于工作電流與二極管溫度。這些因素導致了二極管與MOSFET功率損耗的增加，進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PFC二極管的重要性。一開始，二極管D1引入輸入電流，同時還有二極管中的少量積累電荷。在開關(guān)導通的過程中，MOSFET M1導通，二極管D1關(guān)斷。巨大的導通電流流過MOSFET,除了經(jīng)整流的輸入電流以外還包括D1的反向恢復電流與放電電流。一般情況下，電流的變化率通過M1的封裝電感及其他存在于外部回路的寄生電感進行限制。二極管電流波形的負值區(qū)域便是反向恢復電荷QRR,其中時間間隔長度(t0到t2)是反向恢復時間tRR.在t0與t1之間時，二極管保持正向偏置，因此MOSFET電壓為VOUT+VF.在t1時間，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時間，這些電流基本上為零，二極管在反向偏置條件下達到穩(wěn)態(tài)。[1]這些由硅Si二極管反向恢復特性所引起功率損耗，限制了CCM PFC的功效與開關(guān)頻率。

CCM PFC中最值得關(guān)注的是減少MOSFET與升壓二極管的傳導性與開關(guān)損耗。如果您想設(shè)計一高性能的、且具有較小尺寸與較高的工作頻率的CCM PFC,其MOSFET要求如下：較小的導通電阻以減少傳導損耗;低CGD以減少開關(guān)損耗;低QG以減少柵極驅(qū)動功率;低熱阻。同樣，升壓二極管要求如下：tRR時間短以減少MOSFET導通損耗;低QRR以減少二極管開關(guān)損耗;小VF以減少傳導損耗;溫和的反向回縮特性以減少EMI;低熱阻。

MOSFET比較

金屬-氧化層-半導體-場效晶體管，簡稱金氧半場效晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場效晶體管(field-effect transistor)。MOSFET依照其通道的極性不同，可分為n-type與p-type的MOSFET,通常又稱為NMOSFET與PMOSFET,其他簡稱尚包括NMOS FET、PMOS FET、nMOSFET、pMOSFET等。今日半導體元件的材料通常以硅(silicon)為首選，但是也有些半導體公司發(fā)展出使用其他半導體材料的制程，當中最著名的例如IBM使用硅與鍺(germanium)的混合物所發(fā)展的硅鍺制程(silicon-germanium process, SiGe process)。而可惜的是很多擁有良好電性的半導體材料，如砷化鎵(gallium arsenide, GaAs)，因為無法在表面長出品質(zhì)夠好的氧化層，所以無法用來制造MOSFET元件。

圖3所示為Fairchild Semiconductor(飛兆半導體)公司的SuperFET 600-V MOSFET的橫截面，它運用了電荷平衡技術(shù)(右)，另一個是傳統(tǒng)的平面型MOSFET(左)。一開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。相比傳統(tǒng)的平面MOSFET,n-型外延層的電阻率急劇減少，同時保持擊穿電壓不變。高壓MOSFET的導通電阻降低后，可比傳統(tǒng)的

MOSFET的開關(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致輸入電容的減小，因此減少了柵極電荷。這導致導通延遲時間變短，需要的驅(qū)動功率變小。當我們比較SuperFET與平面MOSFET的電容時，VDS一接近10V(對SuperFET來說)CGD的值急速地減小，在導通的開關(guān)瞬態(tài)，較小的輸出電容可減小放電損耗。因為這項技術(shù)的目的是使元件能夠承受住高速開關(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)只相當于同等級平面器件的三分之一。

使用SuperFET的好處之一是它的低通導電阻減少了功率損耗。這允許設(shè)計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。這些特性都減少了系統(tǒng)的整體功率損耗。

二極管比較

二極管又稱晶體二極管，簡稱二極管(diode);它只往一個方向傳送電流的電子零件。它是一種具有1個零件號接合的2個端子的器件，具有按照外加電壓的方向，使電流流動或不流動的性質(zhì)。晶體二極管為一個由p型半導體和n型半導體形成的p-n結(jié)，在其界面處兩側(cè)形成空間電荷層，并建有自建電場。當不存在外加電壓時，由于p-n 結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。二極管的管壓降：硅二極管(不發(fā)光類型)正向管壓降0.7V,鍺管正向管壓降為0.3V,發(fā)光二極管正向管壓降為隨不同發(fā)光顏色而不同。 主要有三種顏色，具體壓降參考值如下：紅色發(fā)光二極管的壓降為2.0--2.2V,黃色發(fā)光二極管的壓降為1.8-2.0V,綠色發(fā)光二極管的壓降為3.0-3.2V,正常發(fā)光時的額定電流約為20mA.二極管的電壓與電流不是線性關(guān)系，所以在將不同的二極管并聯(lián)的時候要接相適應(yīng)的電阻。

硅Si肖特基二極管常作為小于300V的中低壓應(yīng)用，因為在漏電流與正向?qū)▔航当３衷谌菰S的等級之內(nèi)時，它們顯示出很低的開關(guān)損耗與正的溫度系數(shù)。然而這類二極管對于高壓應(yīng)用來說并不理想，因為高壓應(yīng)用中漏電流與正向?qū)▔航狄叩亩唷１容^起來，SiC肖特基二極管在高壓領(lǐng)域更有吸引力。因為碳化硅的擊穿電場是硅的10倍。此外SiC的寬帶隙容許較高的工作溫度[2].另外，在開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中，SiC肖特基二極管沒有反向恢復電流，這是因為它沒有額外的少數(shù)載流子。雖然寄生結(jié)電容確實產(chǎn)生了位移電流但可以忽略不計。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。