圖騰柱PFC的傳導電磁干擾對策指南

隨著(zhù)開(kāi)關(guān)電源的廣泛應用，開(kāi)關(guān)電源的整流和濾波過(guò)程會(huì )產(chǎn)生大量的高次諧波，導致電流波形嚴重畸變，進(jìn)而引起電磁干擾（EMI）和電磁兼容（EMC）問(wèn)題。因此，功率因素校正(PFC)技術(shù)應運而生。

PFC技術(shù)旨在校正電流波形，使其與電壓波形保持同相，從而提高功率因子和減少諧波干擾。另一方面，電源供應器通常需要通過(guò)CISPR32或是EN55032的標準。這些標準的主要目的是確保信息技術(shù)設備在運行過(guò)程中不會(huì )對其他設備造成有害干擾，同時(shí)也能抵抗外界的電磁干擾。CISPR32/EN55032測試項目分成兩類(lèi)，傳導干擾以及輻射干擾。

此外，根據產(chǎn)品使用環(huán)境的類(lèi)型將標準分為兩類(lèi)，主要用于住宅環(huán)境的任何設備都必須符合B類(lèi)限制；所有其他設備必須符合A類(lèi)限制。圖1為傳導干擾限值曲線(xiàn)。

圖1.CISPR32/EB55032傳導干擾限值曲線(xiàn)

早期PFC技術(shù)主要使用橋式整流器加上升壓型PFC轉換器(Boost PFC Converter)。由于橋式整流器的存在，在轉換器工作時(shí)始終有兩個(gè)二極管同時(shí)導通。在高功率應用中，這個(gè)固定損耗由于電流提升而增加，影響了效率的近一步提升。

現今電源供應器市場(chǎng)為因應全球減碳活動(dòng)，已經(jīng)將效能目標設定為更高效率、減少損失、節省能源、降低成本、提高系統容量為主。圖騰柱PFC由于其結構簡(jiǎn)單且元器件數量少，可以在較小的體積內提供更高的功率密度。同時(shí)，寬能隙半導體材料如氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）開(kāi)始導入設計，這些材料具有更低的導通電阻和更快的開(kāi)關(guān)速度，進(jìn)一步提高了效率和功率密度。因此，圖騰柱PFC被廣泛應用于各種高效能和高功率密度的電源系統中，如服務(wù)器電源、5G通信電源、電動(dòng)車(chē)充電器以及工業(yè)電源。

圖騰柱PFC由兩個(gè)半橋開(kāi)關(guān)構成，其中一個(gè)半橋作為整流橋，負責電容負端至輸入端地回流路徑，使用普通低RDS(ON)的MOSFET即可。另一組半橋負責Boost converter 的充放電切換，可以由SiC/GaN FET 等反向恢復時(shí)間短的功率晶體組成。

如圖2所示，電路的工作原理主要分為正半周和負半周兩個(gè)部分。正半周（VAC > 0）：當Q1導通時(shí)，電感電流上升，電感進(jìn)行儲能。接著(zhù)Q1斷開(kāi)，電感開(kāi)始釋放能量，電感電流下降。此時(shí)，Q2的體二極管在死區時(shí)間內順向導通，接著(zhù)，Q2導通，減少體二極管造成的功率損耗。正半周時(shí)，SD2為常開(kāi)狀態(tài)，SD1為常閉狀態(tài)。負半周（VAC < 0）：當Q2導通時(shí)，電感電流上升，電感進(jìn)行儲能。接著(zhù)Q2斷開(kāi)，電感開(kāi)始釋放能量，電感電流下降。此時(shí)，Q1的體二極管在死區時(shí)間內順向導通，接著(zhù)，Q1導通，減少體二極管造成的功率損耗。正半周時(shí)，SD1為常開(kāi)狀態(tài)，SD2為常閉狀態(tài)。

圖2.圖騰柱PFC工作原理

然而，圖騰柱PFC在提高效率和功率密度的同時(shí)，也面臨著(zhù)電磁干擾（EMI）問(wèn)題。其中，共模噪聲是該拓樸的主要干擾源。通常是由功率組件的高速切換產(chǎn)生的高頻噪聲，這種噪聲可以透過(guò)寄生電容耦合到框架接地(frame ground, FG)，從而產(chǎn)生共模噪聲。

如圖3所示，Q1的高頻開(kāi)通和關(guān)斷動(dòng)作產(chǎn)生高壓變化dv/dt，成為噪聲源。噪聲電流流經(jīng)寄生電容Cp，然后流過(guò)LISN。為了降低噪聲電流流過(guò)LISN， 可在FG與PFC輸出電容的接地端(GND)加入電容器Cfg，該電容可視為Y電容器，為開(kāi)關(guān)噪聲提供低阻抗。

圖3.高頻開(kāi)關(guān)切換造成的噪聲源及其傳導路徑

另一方面，如文獻所述[1]， 在圖騰柱PFC電路中，一個(gè)典型的控制問(wèn)題是AC電壓過(guò)零點(diǎn)切換。當AC電壓處在正半周期時(shí)，且接近AC過(guò)零點(diǎn)時(shí)，Q1為主開(kāi)關(guān)，由于輸入電壓很小，所以其占空比會(huì )達到接近100%（Q2占空比接近0），而SD1在此半周期一直導通。

當AC電壓過(guò)渡到負半周期時(shí)，Q2為主開(kāi)關(guān)，由于輸入電壓很小，所以其占空比接近為100%（Q1占空比接近0），此階段SD2會(huì )由關(guān)斷變?yōu)閷?，則當Q2一導通時(shí)，SD1的寄生輸出電容Coss會(huì )很快放電，除了產(chǎn)生反向電感電流尖峰，由于劇烈的高壓變化dv/dt而產(chǎn)生了共模噪聲。圖4(a)展示了過(guò)零點(diǎn)的共模噪聲的傳導路徑。SD1兩端電壓作為噪聲源，是一個(gè)方波且幅度為輸出電壓同時(shí)與AC輸入電壓頻率相同。

圖4.零交越點(diǎn)產(chǎn)生的噪聲源及其傳導路徑

為了解決傳統MOSFET開(kāi)關(guān)的反向恢復性能較慢，通常在圖騰柱PFC的設計上，會(huì )選用寬能隙功率晶體。安森美（onsemi）在寬能隙功率晶體(iGaN)上，將多種電力電子器件整合到一個(gè)氮化鎵芯片上，以實(shí)現集成650V氮化鎵FET和氮化鎵驅動(dòng)器于單芯片中。

集成化的關(guān)鍵是能減小延遲和消除寄生電感，大幅降低與開(kāi)關(guān)頻率相關(guān)的損耗。如前所述，為了降低圖騰柱PFC的共模噪聲，首先可以針對高頻切換的所產(chǎn)生的噪聲做調整。安森美的iGaN可以針對導通時(shí)的dv/dt斜率做調整。圖6(a)為NCP58922周邊線(xiàn)路，透過(guò)調整串聯(lián)于VDR的Ron電阻，可以改變NCP58922導通時(shí)的dv/dt斜率，同時(shí)降低共模噪聲。

圖5. iGaN可透過(guò)Ron來(lái)調整導通時(shí)dv/dt的斜率

另一方面，為了改善零交越點(diǎn)所產(chǎn)生的共模噪聲，在慢速臂的晶體并聯(lián)電容器C3和C4（如圖7），可以降低電壓變化dv/dt從而抑制共模噪聲[2]。添加電容器后過(guò)零點(diǎn)附近的噪聲源，不僅通過(guò)電容Cfg，也通過(guò)電容C3、4。由于Cfg的容值遠低于C3, C4，因此流經(jīng)Cfg的噪聲電流較小。

圖6.在慢速臂的晶體并聯(lián)電容器C3和C4

除此之外，另一種降低慢速臂在A(yíng)C零交越點(diǎn)時(shí)dv/dt斜率，是透過(guò)緩啟動(dòng)的方式，慢慢增加快速臂的占空比。圖8為安森美的圖騰柱PFC控制器(NCP1680, NCP1681)針對零交越點(diǎn)的控制機制(open loop pulses)[3]。當AC通過(guò)零交越點(diǎn)后，從較小的占空比開(kāi)始轉換SD1上Vds跨壓。接著(zhù)，逐漸增加占空比的時(shí)間，使Vds從400V降至0V，同時(shí)完成慢速臂的換相控制。NCP1680以及NCP1681提供設計者4種open loop pulses的選擇，可根據慢速臂的輸出電容(Coss)參數或是PFC電感量來(lái)選擇適合的open loop pulses。

圖7.NCP1680/1的零交越點(diǎn)的控制機制(open loop pulses)

安森美提供了一個(gè)500W高效率和高功率密的適配器方案(EVBUM2875)。如圖8所示，該方案使用 圖騰柱PFC控制器(NCP1681)和LLC控制器(NCP13994)完成游戲筆記本電腦適配器方案，同時(shí)搭配iGaN (NCP58921)將適配器的整體尺寸縮小到183mm*93mm*30mm，功率密度提升至16W/inch^3。

圖8.500W游戲適配器方案

此外，該方案使用前面所提供EMI的對策，(1)在FG到PFC bulk 接地端之間加入Y電容(Cfg), (2) 調整iGaN的導通電阻(3) 并聯(lián)電容于慢速臂(C3, C4), (4) 選擇合適的open loop pulses來(lái)降低零交越點(diǎn)的電壓斜率。圖9為Conducted EMI的測試結果，可滿(mǎn)足CLASS B的規格。

圖9. Conducted EMI測試結果

參考數據

[1] Baihua Zhang, Qiang Lin, Jun Imaoka, Masahito Shoyama, Satoshi Tomioka, and Eiji Takegami, “EMI Prediction and Reduction of Zero-Crossing Noise in Totem-Pole Bridgeless PFC Converters,” Journal of Power Electronics, vol. 19, no. 1, pp. 278-287, Jan 2019.

[2] Baihua Zhang, Kewei Shi, Qiang Lin, Gamal M. Dousoky, Masahito Shoyama, and Satoshi Tomioka, “Conducted Noise Reduction of Totem-pole Bridgeless PFC Converter Using GaN HEMTs,” 2015 IEEE International Telecommunications Energy Conference (INTELEC), pp. 1-5, 2015.

[3] ON Semi, “NCP1681 Datasheet”.