最高能效，最低成本: BC2

摘要

本文論述一個(gè)新穎的簡(jiǎn)單的適用于各種類(lèi)型硬開(kāi)關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的電能回收電路，這個(gè)電路只需使用幾個(gè)意法半導(dǎo)體的元器件：一個(gè)微型線(xiàn)圈、兩個(gè)耦合輔助線(xiàn)圈和兩個(gè)優(yōu)化的PN二極管。而且，這個(gè)電路完全兼容任何一種PWM控制器。我們?cè)谶@里論述這個(gè)成本最低且能效更高的獨(dú)特的電能回收電路的基本設(shè)計(jì)方法。為了突出這個(gè)拓?fù)涞暮锰?，我們?cè)谝粋€(gè)90-264 VRMS的通用系列450W硬開(kāi)關(guān)式功率因數(shù)校正器內(nèi)，把這個(gè)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(guān)的比較，我們使用了幾個(gè)開(kāi)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(gè)包括專(zhuān)用二極管和小線(xiàn)圈在內(nèi)的整流級(jí)具有很高的成本效益，符合大眾市場(chǎng)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(kāi)關(guān)電源面臨的主要挑戰(zhàn)。開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)目標(biāo)是降低功率的通態(tài)損耗和開(kāi)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?yàn)閷?shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)需要更多的材料，例如，晶片和銅線(xiàn)面積。與通態(tài)損耗不同，降低功率開(kāi)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(kāi)關(guān)損耗有兩個(gè)主要方法：改進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)的動(dòng)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(kāi)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(chǎng)，如臺(tái)式機(jī)電腦和服務(wù)器電源。

本文重點(diǎn)論述的專(zhuān)利電路[1]采用軟開(kāi)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(chǎng)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(chǎng)電源通常需要一個(gè)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(kāi)關(guān)頻率。然而，功率因數(shù)校正器的主要開(kāi)關(guān)損耗是功率開(kāi)關(guān)/整流器換向單元的損耗，提高開(kāi)關(guān)頻率意味著更高的損耗。因?yàn)镻N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(kāi)關(guān)的導(dǎo)通階段。

圖1:導(dǎo)通損耗與二極管類(lèi)型和電流軟開(kāi)關(guān)法對(duì)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(chǎng)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(chǎng)商付出努力，但是仍然不能消除在晶體管導(dǎo)通過(guò)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(méi)有提高。因此，開(kāi)關(guān)時(shí)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(jì)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(gè)軟開(kāi)關(guān)法，增加一個(gè)小線(xiàn)圈L來(lái)控制dI/dt斜率。該解決方案消除了在晶體管導(dǎo)通過(guò)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(kāi)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(gè)開(kāi)關(guān)周期重置線(xiàn)圈L的電流（不管電流、輸入和輸出電壓如何變化）。

2. 無(wú)損恢復(fù)線(xiàn)圈貯存的感應(yīng)能量。

3. 抑制半導(dǎo)體器件上的任何過(guò)壓和過(guò)流應(yīng)力。

4. 當(dāng)增加任何器件時(shí)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(lèi)：有源恢復(fù)電路和無(wú)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(jì)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?yàn)樗械拈_(kāi)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(shí)際應(yīng)用中，升壓二極管DB的反向恢復(fù)電流對(duì)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?yàn)樾【€(xiàn)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(dòng)態(tài)特性影響零壓轉(zhuǎn)換(ZVT)電路的總體能效，因?yàn)檫@個(gè)晶體管的導(dǎo)通時(shí)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(gè)有損緩沖器。

從成本上看，零壓轉(zhuǎn)換(ZVT)電路需要增加一個(gè)功率MOSFET開(kāi)關(guān)管和一個(gè)專(zhuān)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(wú)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(chǎng)應(yīng)用。因此，無(wú)源恢復(fù)電路更有吸引力。

1.4. 無(wú)源恢復(fù)電路

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

圖3:無(wú)源恢復(fù)電路

當(dāng)外部條件不變時(shí)，這個(gè)電路工作良好。不過(guò)，在功率因數(shù)校正應(yīng)用中設(shè)計(jì)這種電路難度很大，這是因?yàn)樾【€(xiàn)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(wú)損無(wú)源電路只需很少的元器件，不幸地是因?yàn)榧夹g(shù)原因，這種電路在功率因數(shù)校正應(yīng)用中不可行。這個(gè)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(guò)使用電流緩沖法恢復(fù)小線(xiàn)圈L的能量是目前無(wú)法克服的技術(shù)挑戰(zhàn)。