什么是PFC？
功率因數校正（PFC）源于開(kāi)關(guān)模式電源（SMPS）之前的時(shí)代，與電機等線(xiàn)性功率負載有關(guān)，因為這些負載能夠為線(xiàn)路增加電感性負載。電機增加的影響是能夠使電流與線(xiàn)路電壓不再同相，而是滯后一定角度，這樣如果再測量電壓和電流RMS值，“視在”功率會(huì )比所預期的要大。這可以在數學(xué)上表示為兩個(gè)線(xiàn)頻電流，一個(gè)與線(xiàn)路電壓同相，另一個(gè)相差90度。同相電流為負載提供“實(shí)際”功率，而移相電流代表“無(wú)功”功率，這些功率無(wú)用，只會(huì )導致電流從電源流出并返回電源。該電流導致電阻性損耗，并且在極端情況下會(huì )出現連接或熔斷器故障。 “功率因數”定義為實(shí)際功率與視在功率之比。幸運的是，至少對于線(xiàn)性電機負載，所需的修復只是添加補償電容器。
電動(dòng)汽車(chē)電池充電器等應用中使用的開(kāi)關(guān)電源（SMPS）也會(huì )使電流與電源電壓不同相，但其機制與電機不同。在SMPS中，交流（AC）線(xiàn)路被整流，并且隨后的大容量電容器在A(yíng)C周期的峰值處被“充滿(mǎn)”能量。這意味著(zhù)負載是非線(xiàn)性的，電流僅在電源周期的一小部分以短脈沖方式獲得，通常實(shí)際上扭曲了標稱(chēng)正弦電壓波形，使其峰值“變平”（見(jiàn)圖1）。
圖1：無(wú)功率因數校正SMPS的典型線(xiàn)電壓（上圖）和電流波形（下圖）。
電流波形現在與線(xiàn)頻的同相分量，表示“實(shí)際”功率，但是相差為90度的無(wú)功部分包括由非線(xiàn)性負載引起的許多不同幅度的諧波。我們現在很難應用功率因數的定義，因此EN 61000-3-2等現代國際標準定義了在指定線(xiàn)路諧波頻率下的“諧波電流輻射”限定值[1] [2]。 因此，功率因數校正仍然適用。
PFC級的演變
改善SMPS電流失真的早期方法是在大容量電容器之前串聯(lián)線(xiàn)頻電感器，但這種方法對于超過(guò)100W的應用來(lái)說(shuō)非常笨重且不實(shí)用�，F在最常見(jiàn)的解決方案是將整流線(xiàn)電壓通過(guò)升壓轉換器，之后它會(huì )輸出一個(gè)高于A(yíng)C線(xiàn)路峰值的穩壓DC（見(jiàn)圖2）。線(xiàn)電流一直在得到檢測，并且升壓轉換器的脈沖寬度調制迫使電流與線(xiàn)電壓保持同相，從而減少諧波電流并改善功率因數。但所帶來(lái)的一個(gè)副作用是大容量電容器需要工作在恒定的高電壓下，其中的能量存儲密度會(huì )更高，在線(xiàn)路中斷后具有更長(cháng)的“擊穿（ride-through）”時(shí)間。
圖2：基本的升壓PFC電路。
雖然圖2中的橋式整流器和升壓轉換器組合方法已經(jīng)使用了多年，但它已經(jīng)成為系統提高效率的限制因素，因為隨后的轉換器級已經(jīng)提高到大約97％的效率。在實(shí)際運行中，橋電路中的兩個(gè)二極管始終以大約1V的壓降工作，因此，對于1 kW功率， 115 V輸入的轉換器，橋電路至少消耗18W的功率。這大約占效率損失約為2％，系統效率最高也只能達到95％。對于80PLUS Titanium效能標準，在高線(xiàn)路電壓和半負載下，要求完整轉換器的效率超過(guò)96％，因此橋電路已經(jīng)是一個(gè)問(wèn)題所在之處。
已經(jīng)采用線(xiàn)路同步MOSFET代替橋式二極管的方案，這種方案比較昂貴，并且需要專(zhuān)用的自供電控制器。業(yè)界已經(jīng)認識到一種更好的解決方案是將主開(kāi)關(guān)也用作同步整流器，其中器件溝道被配置為僅從源極到漏極導通，這就是所謂“無(wú)橋圖騰柱”配置。如圖3（左）所示，通過(guò)重新排列組件能夠實(shí)現這種配置。D5用類(lèi)似Q1的開(kāi)關(guān)代替，現在Q1和Q2用作升壓開(kāi)關(guān)，同步整流器通過(guò)交流電源極性而實(shí)現交換功能。在這種配置中，只有一個(gè)二極管和開(kāi)關(guān)的RDS（on）形成電流串聯(lián)，從而顯著(zhù)降低了傳導損耗。
甚至可以更進(jìn)一步，用同步開(kāi)關(guān)代替D1和D2，以獲得更高的效率。 （見(jiàn)圖3右）。
圖3：無(wú)橋圖騰柱配置（左）和進(jìn)一步的改進(jìn)（右）。
挑戰和解決方案
幾個(gè)無(wú)橋圖騰柱PFC技術(shù)固有的問(wèn)題已經(jīng)得到確定[3]，這些包括特殊的電流監測要求，可靠的交流過(guò)零檢測和軟啟動(dòng)問(wèn)題�？刂艻C可用于解決上述問(wèn)題，但是，有一個(gè)特殊的問(wèn)題與使用的開(kāi)關(guān)有關(guān)。Q1和Q2在都不導通時(shí)必須始終有“死區時(shí)間”，以便不會(huì )發(fā)生災難性的“擊穿”電流。在死區時(shí)間內，MOSFET的固有體二極管充當整流器Q1或Q2，傳導全部輸出電流。當器件在開(kāi)關(guān)周期的下一階段反向偏置時(shí)，會(huì )產(chǎn)生較大的“反向恢復”電流，導致能量損耗和EMI問(wèn)題，從而抵消效率的提升。高壓MOSFET可能具有特別差的體二極管反向恢復特性，因此，無(wú)橋圖騰柱電路一般不宜在較高功率下使用。這里假定為連續導通模式（CCM）。臨界和非連續模式不會(huì )強制體二極管導通，但由于涉及過(guò)高的峰值電流而不適合于高功率應用。
隨著(zhù)寬帶隙（WBG）開(kāi)關(guān)的出現，現在情況發(fā)生了變化。 SiC MOSFET具有低溝道傳導損耗、較高的速度和快速體二極管。但是，二極管的正向電壓可以為2.5V～ 3V，從而導致高的導通損耗。器件電容中的存儲能量EOSS通常是Si-MOSFET等效值的兩倍，從而產(chǎn)生額外的開(kāi)關(guān)損耗。增強型GaN器件是SiC MOSFET的競爭技術(shù)，它們沒(méi)有體二極管，但針對ON電阻（RDSA）的歸一化芯片面積幾乎是SiC MOSFET的兩倍，并且沒(méi)有雪崩或短路額定值，這使得它們在實(shí)際應用中的可靠性成為一個(gè)大問(wèn)題。 SiC MOSFET和E-GaN器件也都具有臨界柵極驅動(dòng)電壓，能夠實(shí)現可靠和高效的運行。
SiC共源共柵：最好的WBG解決方案？
通過(guò)使用SiC共源共柵（級聯(lián)）器件，有一種方法可以充分利用寬帶隙技術(shù)的優(yōu)勢。SiC共源共柵是高壓SiC J-FET與高性能共同封裝的低壓Si-MOSFET的組合。低開(kāi)關(guān)損耗是與極低輸入、輸出和米勒電容以及低EOSS相關(guān)的特性，最終源于小晶片尺寸。SiC共源共柵的RDSA值比Si超級結MOSFET好十倍，比增強型GaN或者SiC MOSFET高2～4倍。
SiC共源共柵中的Si-MOSFET引入了一個(gè)體二極管，但是它屬于低電壓型，該二極管可以非�？焖�，因而具有低的反向恢復電流和損耗。圖4比較了650V額定值的UnitedSiC UJC06505T SiC共源共柵和650V的IPP65R045C7硅超級結MOSFET的恢復特性，顯示出大約60倍的回收電荷差異。
圖4：反向恢復特性比較：SiC共源共柵與Si-MOSFET。
用于SiC共源共柵的柵極驅動(dòng)并不是非常關(guān)鍵，工作電平通常為0 ～12V，絕對最大值為±25 V，器件具有雪崩額定值，短路能力，并且沒(méi)有dV/dt限制......
真實(shí)世界的結果
UnitedSiC的一個(gè)演示板額定功率為1.5 kW，使用工作頻率為100 kHz的UJC06505K SiC共源共柵，演示結果表明，達到了80PLUS Titanium效能目標，并具有一定的余量（見(jiàn)圖5）。
圖5：使用SiC共源共柵實(shí)現的無(wú)橋圖騰柱PFC級效率。
雙向電源轉換
電動(dòng)汽車(chē)電池充電器與其他SMPS類(lèi)似，因為它們需要PFC和轉換級來(lái)提供受控的電池充電。但是也需要將電力從電池返回到本地電網(wǎng)以用于能量平衡或家庭使用，并為用戶(hù)帶來(lái)相應的經(jīng)濟利益。無(wú)橋圖騰柱PFC級在拓撲結構上實(shí)際上與H型橋式逆變器相同，因此通過(guò)適當的高頻PWM驅動(dòng)到以線(xiàn)路頻率調制的開(kāi)關(guān)，使DC總線(xiàn)成為電源，線(xiàn)路連接成為負載，形成反向能量流動(dòng)。電池通過(guò)傳統的雙向隔離DC-DC轉換器產(chǎn)生DC總線(xiàn)，同樣，SiC共源共柵由于具有低導通和體二極管損耗，因而非常適合于這種應用。
總結
無(wú)橋圖騰柱PFC級一直在等待合適的半導體技術(shù)拓撲結構的出現。作為一種牢固的解決方案，SiC共源共柵開(kāi)關(guān)實(shí)現了這種拓撲結構潛在的效率階躍提升，并具有配置為雙向功率轉換的巨大潛力。UnitedSiC能夠提供理想適用于這些應用的多種SiC共源共柵器件。
UnitedSiC是今年由Electronics Weekly主辦的Elektra Awards的決賽入圍廠(chǎng)商。 |
