圖騰柱無(wú)橋PFC與SiC相結(jié)合，共同提高電源密度和效率

效率和尺寸是電源設(shè)計(jì)的兩個(gè)主要考慮因素，而功率因數(shù)校正 (PFC)也在變得越來(lái)越重要。為了減少無(wú)功功率引起的電力線諧波含量和損耗，盡可能降低電源運(yùn)行時(shí)對(duì)交流電源基礎(chǔ)設(shè)施的影響，需要使用 PFC。但要設(shè)計(jì)出小尺寸、高效率電源（包括 PFC）仍極具挑戰(zhàn)性。本文介紹了如何通過(guò)修改傳統(tǒng) PFC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)更好地實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

使用整流器和升壓二極管的 PFC

電源的輸入級(jí)通常使用橋式整流器后接單相 PFC 級(jí)，由四個(gè)整流器二極管和一個(gè)升壓二極管組成。

圖 1：橋式整流器后接單相 PFC 級(jí)

圖騰柱無(wú)橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

還有一種提高電源效率的方法，就是使用圖騰柱無(wú)橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)移除橋式整流器，并用快速開(kāi)關(guān) MOSFET 代替升壓二極管。要理解如何做到這一點(diǎn)，最好先將這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)視為兩個(gè)獨(dú)立的升壓電路的功能組合，每個(gè)電路用于輸入正弦波形的一個(gè)半周期。

電感、電容、MOSFET S1 和二極管 (S2) 在正半周期內(nèi)用作正升壓電路。此外，還包括一個(gè)旁路二極管，目的是防止電感在啟動(dòng)時(shí)或在異常工作條件下飽和；還有一個(gè)保護(hù)二極管 (SR1)，以防止在負(fù)半周期內(nèi)工作。

圖 2：正升壓電路

在負(fù)半周期內(nèi)，電感、電容、MOSFET S2 和二極管 (S1) 構(gòu)成了標(biāo)準(zhǔn)升壓電路的反相版本，并在導(dǎo)通狀態(tài)路徑中額外配備了一個(gè)保護(hù)二極管 SR2。

圖 3：負(fù)升壓電路

在圖騰柱無(wú)橋 PFC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，兩個(gè)二極管（SR1 和 SR2）可以用 MOSFET 代替，以實(shí)現(xiàn)更高的效率。這是因?yàn)檫@些二極管在圖騰柱工作期間導(dǎo)通，但切換頻率只有 50/60 Hz。旁路二極管僅在啟動(dòng)時(shí)導(dǎo)通，因此使用 MOSFET 代替它們沒(méi)有任何好處。

圖 4：采用二極管的圖騰柱無(wú)橋 PFC 電路

改進(jìn)后的圖騰柱

改進(jìn)后的圖騰柱無(wú)橋 PFC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將快速 SiC MOSFET和慢速超結(jié) MOSFET 相結(jié)合。在正半周波期間，SR1 在整個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通，并為異步升壓電路提供接地路徑。S1 充當(dāng)升壓開(kāi)關(guān)，而 S2 在異步升壓中執(zhí)行二極管功能。同樣，在負(fù)半周期內(nèi)，SR2 提供接地路徑，S2 作為升壓開(kāi)關(guān)，S1 則用作異步升壓二極管。SR1 和 SR2 可以是低速超結(jié) MOSFET（因?yàn)樗鼈冎恍枰诘皖l下開(kāi)關(guān)）。為防止出現(xiàn)潛在的 EMI 問(wèn)題，需要通過(guò)額外電容來(lái)避免過(guò)快發(fā)生過(guò)零轉(zhuǎn)換。但是，如果電容值太大，總諧波失真 (THD) 性能將會(huì)變差。對(duì)于高功率密度，S1 和 S2 可以是 SiC 器件。

圖 5：改進(jìn)后具有 SiC 和超結(jié) MOSFET 的圖騰柱無(wú)橋 PFC 電路

實(shí)現(xiàn)高功率密度的高效電源

安森美 (onsemi) 通過(guò)帶有EliteSiC 開(kāi)關(guān)的高頻 PFC 前端、先進(jìn)的圖騰柱無(wú)橋 PFC 控制器和運(yùn)行頻率高達(dá) 150 kHz 的高頻 LLC 級(jí)，在輸出級(jí)上使用高速同步整流設(shè)計(jì)出一個(gè)功率密度超過(guò)40 W/in3、滿載效率為 98.4% 的單相交流輸入 3 kW PFC 電源。該創(chuàng)新方案的操作和性能在白皮書(shū)中進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。