采用開(kāi)關(guān)器件提高PFC效率

　　在CCM PFC中，通過(guò)改善MOSFET技術(shù)可以減少開(kāi)關(guān)損耗，甚至可通過(guò)SiC技術(shù)改善升壓二極管來(lái)減少MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗。

　　功率因數是一個(gè)數值參數，常用來(lái)衡量提供給交-直流變換器的輸入功率的質(zhì)量。最近功率因數補償(PFC)的標準，如IEC 61000-4-3，已經(jīng)大規模應用到許多系統當中，并且在交-直流電力系統市場(chǎng)中表現出增長(cháng)態(tài)勢。為了能夠達到這些標準，設計人員可以運用被動(dòng)式與主動(dòng)式PFC設計技術(shù)，這種設計技術(shù)必須符合電力系統中的電網(wǎng)諧波標準。

　　方法之一就是運用被動(dòng)PFC的低成本解決方案，但是這一方案需要一個(gè)笨重的大體積LC濾波器。主動(dòng)PFC廣泛用于減少系統濾波器電感線(xiàn)圈的尺寸與重量。因此，增加效率與功率密度是主動(dòng)PFC方案的關(guān)鍵設計因素。對于大功率交-直流變換器來(lái)說(shuō)，連續傳導模式(CCM)升壓型主動(dòng)PFC拓撲結構更受歡迎。與非連續傳導模式(DCM)和臨界傳導模式CRM)不同的是，CCM PFC產(chǎn)生的波紋電流更小，可簡(jiǎn)化EMI濾波器設計以及保持小負荷下的穩定性。因此CCM PFC不僅廣泛用于服務(wù)器與遠程通信的電源供給，而且可用于平面顯示器的電源供給。

　　按照功率變換器PFC改善功率密度的設計趨勢，設計人員必須減少系統損耗與整個(gè)系統的尺寸、重量，或者增加開(kāi)關(guān)頻率，集成有源元件。

　　一種新型的MOSFET/二極管組合可以實(shí)現較高的功效，減少開(kāi)關(guān)損耗。并且通過(guò)降低MOSFET的導通電阻，提高其開(kāi)關(guān)速度完成CCM PFC控制器的設計。上述性能的改善，都離不開(kāi)一種具有低反向恢復電荷（QRR)的SiC肖特基二極管。下面在一個(gè)400W CCM PFC應用當中，將其與常用的硅Si二極管/平面型MOSFET的組合方式進(jìn)行比較，可看出本文所述MOSFET/二極管組合的優(yōu)點(diǎn)。

　　與DCM升壓電感的恒流相比，CCM下的PFC具備更多優(yōu)勢。通過(guò)EMI濾波的電流要比DCM或CRM中小得多，因此這些優(yōu)勢在大功率設計中更為明顯。在一般情況下，MOSFET的功率損耗通常由它的開(kāi)關(guān)損耗決定，事實(shí)上開(kāi)關(guān)損耗是由分立升壓二極管的反向回縮特性所引起的，而上述這個(gè)根源取決于工作電流與二極管溫度。這些因素導致了二極管與MOSFET功率損耗的增加，進(jìn)而影響到變流器的性能。

　　圖1與圖2所示為CCM PFC的工作情況，包括電流和電壓波形，可看出低QRR對PFC二極管的重要性。一開(kāi)始，二極管D1引入輸入電流，同時(shí)還有二極管中的少量積累電荷。在開(kāi)關(guān)導通的過(guò)程中，MOSFET M1導通，二極管D1關(guān)斷。巨大的導通電流流過(guò)MOSFET，除了經(jīng)整流的輸入電流以外還包括D1的反向恢復電流與放電電流。一般情況下，電流的變化率通過(guò)M1的封裝電感及其他存在于外部回路的寄生電感進(jìn)行限制。二極管電流波形的負值區域便是反向恢復電荷QRR，其中時(shí)間間隔長(cháng)度(t0到t2)是反向恢復時(shí)間tRR。在t0與t1之間時(shí)，二極管保持正向偏置，因此MOSFET電壓為VOUT+VF。在t1時(shí)間，p-n結附近的積累電荷被耗盡。二極管反向電流持續存在，直至消除所有殘留的少量積累電荷。在t2時(shí)間，這些電流基本上為零，二極管在反向偏置條件下達到穩態(tài)。[1]這些由硅Si二極管反向恢復特性所引起功率損耗，限制了CCM PFC的功效與開(kāi)關(guān)頻率。

　　CCM PFC中最值得關(guān)注的是減少MOSFET與升壓二極管的傳導性與開(kāi)關(guān)損耗。如果您想設計一高性能的、且具有較小尺寸與較高的工作頻率的CCM PFC，其MOSFET要求如下：較小的導通電阻以減少傳導損耗；低CGD以減少開(kāi)關(guān)損耗；低QG以減少柵極驅動(dòng)功率；低熱阻。同樣，升壓二極管要求如下：tRR時(shí)間短以減少MOSFET導通損耗；低QRR以減少二極管開(kāi)關(guān)損耗；小VF以減少傳導損耗；溫和的反向回縮特性以減少EMI；低熱阻。

　　MOSFET比較

　　圖3所示為Fairchild Semiconductor(飛兆半導體)公司的SuperFET 600-V MOSFET的橫截面，它運用了電荷平衡技術(shù)(右)，另一個(gè)是傳統的平面型MOSFET(左)。一開(kāi)始便引起我們注意的差異是SuperFET元器件內部的加厚p型柱。SuperFET所提供的低導通電阻所起的作用(>90%)在于N-型漂移區。加厚P型柱的作用是限制MOSFET輕摻雜外延區的電場(chǎng)。相比傳統的平面MOSFET，n-型外延層的電阻率急劇減少，同時(shí)保持擊穿電壓不變。高壓MOSFET的導通電阻降低后，可比傳統的

　　MOSFET的開(kāi)關(guān)特性隨著(zhù)它的寄生電容的改變而改變。例如高壓SuperFET有源面積的減小直接導致輸入電容的減小，因此減少了柵極電荷。這導致導通延遲時(shí)間變短，需要的驅動(dòng)功率變小。當我們比較SuperFET與平面MOSFET的電容時(shí)，VDS一接近10V(對SuperFET來(lái)說(shuō))CGD的值急速地減小，在導通的開(kāi)關(guān)瞬態(tài)，較小的輸出電容可減小放電損耗。因為這項技術(shù)的目的是使元件能夠承受住高速開(kāi)關(guān)瞬態(tài)下的電壓(dv/dt)與電流(di/dt)，這些元器件能夠在較高的頻率下可靠地工作，由于折算電阻的影響其品質(zhì)因數(FOM)只相當于同等級平面器件的三分之一。

　　使用SuperFET的好處之一是它的低通導電阻減少了功率損耗。這允許設計人員可以不使用昂貴的冷卻系統并且減少了散熱器的尺寸。它的低柵極電荷同樣使得它更容易且更有效地在高頻下驅動(dòng)。這些特性都減少了系統的整體功率損耗。

　　二極管比較

　　硅Si肖特基二極管常作為小于300V的中低壓應用，因為在漏電流與正向導通壓降保持在容許的等級之內時(shí)，它們顯示出很低的開(kāi)關(guān)損耗與正的溫度系數。然而這類(lèi)二極管對于高壓應用來(lái)說(shuō)并不理想，因為高壓應用中漏電流與正向導通壓降要高的多。比較起來(lái)，SiC肖特基二極管在高壓領(lǐng)域更有吸引力。因為碳化硅的擊穿電場(chǎng)是硅的10倍。此外SiC的寬帶隙容許較高的工作溫度[2]。另外，在開(kāi)關(guān)狀態(tài)轉換過(guò)程中，SiC肖特基二極管沒(méi)有反向恢復電流，這是因為它沒(méi)有額外的少數載流子。雖然寄生結電容確實(shí)產(chǎn)生了位移電流但可以忽略不計。因此在CCM PFC應用中，由于SiC肖特基二極管優(yōu)越的反向回縮特性，可不依賴(lài)于元器件的溫度與正向傳導特性，使得SiC肖特基二極管與硅Si二極管相比能夠提供更大的功效。[3-7]

　　圖4所示為SiC肖特基二極管和硅二極管的反向恢復特性對比。在這個(gè)例子中，Fairchild公司的速復硅二極管按照tRR和VF區分為三種類(lèi)型，隱形二極管具有快速反向回縮特性，超高速元件擁有最低的VF值。通過(guò)25℃時(shí)的反向恢復測試，硅二極管中出現了大量的反向恢復電流，而SiC肖特基二極管僅僅在電容中出現由p-n結反向偏壓形成的位移電流。SiC肖特基和硅二極管的V-I特性曲線(xiàn)均為溫度的涵數。正向電流較低時(shí)，溫度升高時(shí)VF減小。在這個(gè)區域內，可觀(guān)察到肖特基勢壘兩端的電流呈指數特性。當正向電流增加時(shí)，二極管的體電阻決定其正向偏置特性，并且肖特基二極管的VF隨溫度上升而增大。SiC肖特基二極管的帶隙越大，本征載流子濃度和運行結溫就越高。就原理而論，硅二極管的最高結溫為150℃[8]，而SiC肖特基二極管有可能達到600℃。運行溫度的增加允許其重量、體積、成本和熱量管理系統復雜性的全面減小。

　　另外，由于SiC肖特基二極管具有正溫度系數，因此與硅二極管相比，它們更適于在較高的電壓下并聯(lián)運行。SiC肖特基二極管的低QRR不僅減少二極管的開(kāi)關(guān)損耗，而且能減少MOSFET的導通損耗，使CCM PFC達到很高的能效。就算SiC二極管中的正向電流比硅二極管大，上述情況仍然成立。在MOSFET的導通瞬間，SiC肖特基二極管優(yōu)越的溫度特性可以降低漏電流峰值。并且設計人員可以使用較小的MOSFET來(lái)減低成本。

　　MOSFET/SiC二極管集成模塊

　　使用高壓SuperFET和一個(gè)SiC肖特基二極管組成的CCM PFC測試電路，具體地說(shuō)，將Fairchild公司的600-VN溝道SuperFET MOSFET(FCA20N60)和6A SiC肖特基二極管組合，與平面型MOSFET(FQA24N50)和超高速二極管(RURP860)組合進(jìn)行比較，比較內容為開(kāi)關(guān)損耗與功效。此測試電路的工作頻率100kHz，輸出電壓和電流分別為400V與1A。導通時(shí)SuperFET的柵電阻是12Ω，關(guān)斷時(shí)為9.1Ω。

　　分別測量MOSFET與二極管的電壓和電流來(lái)估算元件的功率損耗。并且量測輸入與輸出功率來(lái)計算系統的功效。滿(mǎn)負荷下，MOSFET信號波形由高電平向低電平躍遷時(shí)，輸入為110Vac，開(kāi)關(guān)損耗通過(guò)VDS與ID的交叉區來(lái)測量。SuperFET開(kāi)關(guān)時(shí)間大大地降低。平面型MOSFET的關(guān)斷損耗為159μJ，SuperFET為125μJ(減小34μJ或21%)。

　　滿(mǎn)負荷下，MOSFET信號波形由低電平向高電平躍遷時(shí)，輸入為110Vac，在二極管與MOSFET中有5.3A的反向恢復電流通過(guò)(除電感電流以外），此電流來(lái)自于升壓硅二極管。然而SiC肖特基二極管僅僅有1.2A的位移電流，可忽略不計。所以使用硅二極管時(shí)MOSFET的開(kāi)通損耗為73.8μJ，使用SiC肖特基二極管時(shí)為28.9μJ(減少44.9μJ或61%)。

　　在此次測試中，滿(mǎn)負荷下二極管信號波形由高電平向低電平躍遷時(shí)，輸入為110Vac。硅二極管中的反向恢復電流峰值為5.3A，反向恢復電壓峰值為500V。在同樣情況下，SiC肖特基二極管中的反向恢復電流可忽略不計，反向恢復電壓為450V。這兩種MOSFET類(lèi)型的不同動(dòng)態(tài)特性形成不同的MOSFET開(kāi)通損耗。由于SiC二極管的恢復時(shí)間為零，因此SiC肖特基二極管的關(guān)斷損耗要比硅二極管低大約78%。

　　圖5所示為開(kāi)關(guān)損耗一覽，將SuperFET與SiC肖特基二極管組合后，可有效減少開(kāi)關(guān)損耗。與平面型MOSFET相比，SuperFET能夠降低21%的關(guān)斷損耗。與速復二極管相比，SiC二極管能夠降低61%的開(kāi)通損耗。當然，使用SiC肖特基二極管代替速復硅二極管與傳統的MOSFET組合，可以使MOSFET的關(guān)斷損耗降低78%，使其開(kāi)通損耗降低23%。圖6所示為不同器件組合的功效測量結果。從圖中不難看出，在整個(gè)運行范圍中，MOSFET/SiC肖特基二極管的組合對提高功效起到了很重要的作用。甚至在大電流時(shí)(滿(mǎn)負荷低輸入電壓），改善的效果也很明顯，在同樣的情況下，MOSFET/SiC肖特基二極管組合的功效比傳統器件高出4%。對于開(kāi)關(guān)損耗的分析證明，通過(guò)減小SiC肖特基二極管的反向恢復電荷來(lái)減低MOSFET開(kāi)通損耗，是提高功效的主要途徑。最終結果是增加了CCM PFC下的功率密度。