功率因數校正最佳策略：如何選取合適的MOSFET？

　　導讀：近年來(lái)，隨著(zhù)汽車(chē)、通信、能源、綠色工業(yè)等大量使用MOSFET的 行業(yè)的快速發(fā)展，功率MOSFET備受關(guān)注。MOSFET廣泛使用在模擬電路與數字電路中，對于工業(yè)市場(chǎng)而言，較高的電流會(huì )增加系統中的能量損耗，舉例對電力公司來(lái)說(shuō)，這會(huì )導致輸電過(guò)程中的過(guò)量浪費。而要達到完全相同的輸出功率，功率因數較低的負載比功率因數較高的負載會(huì )消耗更多無(wú)功電流。所以，為功率因數校正應用，選擇合適的MOSFET器件尤其重要。

　　功率因數是實(shí)際功率（P = 瓦特）與視在功率（VA= 伏安）之比；目標是實(shí)現盡可能接近1的功率因數。要達到完全相同的輸出功率，功率因數較低的負載比功率因數較高的負載會(huì )消耗更多無(wú)功電流。較高的電流會(huì )增加系統中的能量損耗，對電力公司來(lái)說(shuō)，這會(huì )導致輸電過(guò)程中的過(guò)量浪費。為此，對于輸出功率為75 W或更高（依據EN61000-3-2標準）的任何電源，圖1所示的功率因素校正 （PFC） 電路塊都是一個(gè)重要而且常常是必不可少的子系統。PFC電路塊用于使輸入線(xiàn)電流與AC電壓波形一致，且在大多數情況下將輸出電壓升高至標準的400 VDC。圖2顯示了PFC電路對線(xiàn)電流及其諧波電流的影響。

圖1：PFC原理圖

　　圖2A：無(wú)PFC情況下的線(xiàn)電壓及電流 圖2B：有PFC情況下的波形

　　在圖2A中，電流來(lái)自AC電源且只持續周期的較短時(shí)間。這導致較低的功率因數和115%的過(guò)量諧波電流。雖然系統只消耗158 W可用功率，但傳輸系統的相關(guān)值需要達到272 VA才能提供這一功率。圖2B顯示了使用相同輸入功率曲線(xiàn)來(lái)實(shí)現PFC的優(yōu)點(diǎn)。在功率因數為99.9%的情況下，諧波電流降至3%。電流來(lái)自AC線(xiàn)路且持續整個(gè)周期，同時(shí)也沒(méi)有過(guò)量的VA浪費。

　　應當注意的是，PFC與諧波電流減少并非同義詞。例如，在高電感性負載情況下，電流可能是滯后于電壓的完美正弦曲線(xiàn)。因此其將具有較低的功率因數和高無(wú)功功率，且沒(méi)有任何諧波電流。而諧波電流多的失真波形通常具有所有不良特性。PFC電路不僅能夠校正功率因數，還有助于減少諧波電流。目前，關(guān)于電子設備功率質(zhì)量有許多不同的標準。EN61000-3-2要求所有輸入功率》 75 W的系統減少諧波電流。80 Plus電源認證要求功率因數達到0.9或更高。

　　在PFC電路中，MOSFET損耗約占總損耗的20%左右。通過(guò)選擇正確的器件，PFC效率能夠得到大幅提升。為PFC電路選擇合適MOSFET器件的一種方法是使用針對特定應用的品質(zhì)因數 （FOM），來(lái)最小化器件的總損耗。雖然FOM包括針對傳導損耗的導通電阻值（RDS（on）） 和針對開(kāi)關(guān)損耗的柵極電荷值 （Qg），但其并非二者的簡(jiǎn)單積。為了說(shuō)明開(kāi)關(guān)損耗，使用了該器件的Qgs和Qgd的一部分以及其輸出電容值 （Coss）。

　　標準AC/DC電源的四個(gè)級是：

　　· 輸入

　　· PFC前端

　　· 轉換器

　　· 次級

　　本文選自電子發(fā)燒友網(wǎng)6月《智能工業(yè)特刊》Change The World欄目，轉載請注明出處！
　　

　　為滿(mǎn)足80 Plus“金級”效率標準的要求，所有級的合并損耗是額定輸出功率的約12%。單純PFC MOSFET損耗應限制到總輸出功率的約2%或封裝功率限值，（以二者中的較低者為準）。“TO”封裝的最大功率損耗限值為：

　　· PowerPAK®SO-8L （5x6）： 5W

　　· PowerPAK®8x8： 7W

　　· TO-220/TO-220F： 10 W

　　· TO-247： 20W

　　· Super TO-247/Tmax： 25W

　　因此，由傳導損耗和開(kāi)關(guān)損耗構成的最大封裝功率限值不應超過(guò)上述水平。傳導損耗用公式I2*R來(lái)計算，其中考慮到了器件的RDS（on）以及其溫度系數。開(kāi)關(guān)損耗不僅需要考慮Qg、Qgd和Qgs，還需要考慮Qoss，Qoss是Coss的積分函數。

　　傳統的FOM，即RDS（on）（典型值）*Qg（典型值）并不考慮器件的Coss/Qoss，但這是一個(gè)非常重要的損耗，特別是在開(kāi)關(guān)損耗大于傳導損耗的輕負載情況下。開(kāi)關(guān)損耗的這一成分是在充電（當器件斷電時(shí)）和放電（當器件通電時(shí)）情況下產(chǎn)生的，必需在設計中加以考慮。Coss/Qoss越大，開(kāi)關(guān)損耗就越大。此外，Qoss損耗是固定的并且獨立于負載，這一點(diǎn)可從標準公式Poss = ½ CV2 x Fsw中看出，其中Fsw是開(kāi)關(guān)頻率。

　　在通用輸入電源中，PFC MOSFET始終受到380 VDC至400 VDC的主體 （bulk） DC總線(xiàn)電壓的限制。因此，輸出開(kāi)關(guān)損耗有可能在總損耗中占相當大的比例。高壓MOSFET （HVM）的Coss隨著(zhù)所施加的VDS的不同而有相當大的變化。為說(shuō)明輸出電容器的非線(xiàn)性，可以使用Poss = ½ Coer x V2 x Fsw作為損耗計算公式。Coer是由產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)提供的有效電容，與MOSFET的集成Coss具有相同的存儲能量和相同的損耗。所以，新FOM現在為Rds（on）（典型值） * （Qswitch （典型值） + Qoss），其中Qswitch是Qgd和Qgs的組合。

　　例如，我們使用一個(gè)最大封裝功率損耗為8 W且對傳導損耗和開(kāi)關(guān)損耗的貢獻各為4 W的TO-220 / TO-220F器件。這樣Coss/Qoss損耗將占到總封裝損耗的約20%，或總開(kāi)關(guān)損耗的約40%，這是標準FOM公式?jīng)]有加以考慮的一個(gè)較大損耗。

　　由于有許多可用封裝選項，所以表1列出了針對不同封裝的最大功率額定值。請注意，每種封裝都有一系列器件可供選用，所以有可能對廣泛的輸出功率推薦相同的封裝。為了實(shí)現SMT封裝（如PowerPAK®SO-8L （5x6） 和PowerPAK®8x8）的最大可能功率耗散，有必要將PCB溫度保持在最壞條件下的應用要求值。建議最大額定值因此受到系統熱考慮事項而非封裝損耗的限制。

　
表1：各封裝類(lèi)型下的最大功率級

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