利用開關(guān)器件提高PFC效率的實(shí)現(xiàn)

為了滿足能源之星(ENERGY STAR)等規(guī)范的要求以及消費(fèi)者降低碳排放的愿望，功率電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)正在不斷努力提高系統(tǒng)效率，以求盡量接近額定100%效率的終極目標(biāo)。此外，目前調(diào)節(jié)器實(shí)際上需要在電源第一級采用功率因數(shù)校正(Power Factor Correction,PFC)，以盡量提高功率因數(shù)(PF)，減少電力線的損耗。功率因數(shù)的大小與電路的負(fù)荷性質(zhì)有關(guān)， 如白熾燈泡、電阻爐等電阻負(fù)荷的功率因數(shù)為1,一般具有電感性負(fù)載的電路功率因數(shù)都小于1.功率因數(shù)是電力系統(tǒng)的一個(gè)重要的技術(shù)數(shù)據(jù)。功率因數(shù)是衡量電氣設(shè)備效率高低的一個(gè)系數(shù)。功率因數(shù)低，說明電路用于交變磁場轉(zhuǎn)換的無功功率大， 從而降低了設(shè)備的利用率，增加了線路供電損失。所以，供電部門對用電單位的功率因數(shù)有一定的標(biāo)準(zhǔn)要求。

方法之一就是運(yùn)用被動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PFC廣泛用于減少系統(tǒng)濾波器電感線圈的尺寸與重量。因此，增加效率與功率密度是主動PFC方案的關(guān)鍵設(shè)計(jì)因素。對于大功率交-直流變換器來說，連續(xù)傳導(dǎo)模式(CCM)升壓型主動PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更受歡迎。與非連續(xù)傳導(dǎo)模式(DCM)和臨界傳導(dǎo)模式CRM)不同的是，CCM PFC產(chǎn)生的波紋電流更小，可簡化EMI濾波器設(shè)計(jì)以及保持小負(fù)荷下的穩(wěn)定性。因此CCM PFC不僅廣泛用于服務(wù)器與遠(yuǎn)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(shè)計(jì)趨勢，設(shè)計(jì)人員必須減少系統(tǒng)損耗與整個(gè)系統(tǒng)的尺寸、重量，或者增加開關(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(xiàn)較高的功效，減少開關(guān)損耗。并且通過降低MOSFET的導(dǎo)通電阻，提高其開關(guān)速度完成CCM PFC控制器的設(shè)計(jì)。上述性能的改善，都離不開一種具有低反向恢復(fù)電荷(QRR)的SiC肖特基二極管。下面在一個(gè)400W CCM PFC應(yīng)用當(dāng)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(shè)計(jì)中更為明顯。在一般情況下，MOSFET的功率損耗通常由它的開關(guān)損耗決定，事實(shí)上開關(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(dǎo)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。在開關(guān)導(dǎo)通的過程中，MOSFET M1導(dǎo)通，二極管D1關(guān)斷。巨大的導(dǎo)通電流流過MOSFET,除了經(jīng)整流的輸入電流以外還包括D1的反向恢復(fù)電流與放電電流。一般情況下，電流的變化率通過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(fù)值區(qū)域便是反向恢復(fù)電荷QRR,其中時(shí)間間隔長度(t0到t2)是反向恢復(fù)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(jié)附近的積累電荷被耗盡。二極管反向電流持續(xù)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(dá)到穩(wěn)態(tài)。[1]這些由硅Si二極管反向恢復(fù)特性所引起功率損耗，限制了CCM PFC的功效與開關(guān)頻率。

CCM PFC中最值得關(guān)注的是減少M(fèi)OSFET與升壓二極管的傳導(dǎo)性與開關(guān)損耗。如果您想設(shè)計(jì)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(dǎo)通電阻以減少傳導(dǎo)損耗;低CGD以減少開關(guān)損耗;低QG以減少柵極驅(qū)動功率;低熱阻。同樣，升壓二極管要求如下：tRR時(shí)間短以減少M(fèi)OSFET導(dǎo)通損耗;低QRR以減少二極管開關(guān)損耗;小VF以減少傳導(dǎo)損耗;溫和的反向回縮特性以減少EMI;低熱阻。

MOSFET比較

金屬-氧化層-半導(dǎo)體-場效晶體管，簡稱金氧半場效晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)是一種可以廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路的場效晶體管(field-effect transistor)。MOSFET依照其"通道"的極性不同，可分為n-type與p-type的MOSFET,通常又稱為NMOSFET與PMOSFET,其他簡稱尚包括NMOS FET、PMOS FET、nMOSFET、pMOSFET等。今日半導(dǎo)體元件的材料通常以硅(silicon)為首選，但是也有些半導(dǎo)體公司發(fā)展出使用其他半導(dǎo)體材料的制程，當(dāng)中最著名的例如IBM使用硅與鍺(germanium)的混合物所發(fā)展的硅鍺制程(silicon-germanium process, SiGe process)。而可惜的是很多擁有良好電性的半導(dǎo)體材料，如砷化鎵(gallium arsenide, GaAs)，因?yàn)闊o法在表面長出品質(zhì)夠好的氧化層，所以無法用來制造MOSFET元件。

圖3所示為Fairchild Semiconductor(飛兆半導(dǎo)體)公司的SuperFET 600-V MOSFET的橫截面，它運(yùn)用了電荷平衡技術(shù)(右)，另一個(gè)是傳統(tǒng)的平面型MOSFET(左)。一開始便引起我們注意的差異是SuperFET元器件內(nèi)部的加厚p型柱。SuperFET所提供的低導(dǎo)通電阻所起的作用(>90%)在于N-型漂移區(qū)。加厚P型柱的作用是限制MOSFET輕摻雜外延區(qū)的電場。相比傳統(tǒng)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(dǎo)通電阻降低后，可比傳統(tǒng)的

MOSFET的開關(guān)特性隨著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(dǎo)致輸入電容的減小，因此減少了柵極電荷。這導(dǎo)致導(dǎo)通延遲時(shí)間變短，需要的驅(qū)動功率變小。當(dāng)我們比較SuperFET與平面MOSFET的電容時(shí)，VDS一接近10V(對SuperFET來說)CGD的值急速地減小，在導(dǎo)通的開關(guān)瞬態(tài)，較小的輸出電容可減小放電損耗。因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)的目的是使元件能夠承受住高速開關(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(shù)(FOM)只相當(dāng)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(dǎo)電阻減少了功率損耗。這允許設(shè)計(jì)人員可以不使用昂貴的冷卻系統(tǒng)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(qū)動。這些特性都減少了系統(tǒng)的整體功率損耗。

二極管比較

二極管又稱晶體二極管，簡稱二極管(diode);它只往一個(gè)方向傳送電流的電子零件。它是一種具有1個(gè)零件號接合的2個(gè)端子的器件，具有按照外加電壓的方向，使電流流動或不流動的性質(zhì)。晶體二極管為一個(gè)由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體形成的p-n結(jié)，在其界面處兩側(cè)形成空間電荷層，并建有自建電場。當(dāng)不存在外加電壓時(shí)，由于p-n 結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴(kuò)散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。二極管的管壓降：硅二極管(不發(fā)光類型)正向管壓降0.7V,鍺管正向管壓降為0.3V,發(fā)光二極管正向管壓降為隨不同發(fā)光顏色而不同。 主要有三種顏色，具體壓降參考值如下：紅色發(fā)光二極管的壓降為2.0--2.2V,黃色發(fā)光二極管的壓降為1.8-2.0V,綠色發(fā)光二極管的壓降為3.0-3.2V,正常發(fā)光時(shí)的額定電流約為20mA.二極管的電壓與電流不是線性關(guān)系，所以在將不同的二極管并聯(lián)的時(shí)候要接相適應(yīng)的電阻。

硅Si肖特基二極管常作為小于300V的中低壓應(yīng)用，因?yàn)樵诼╇娏髋c正向?qū)▔航当３衷谌菰S的等級之內(nèi)時(shí)，它們顯示出很低的開關(guān)損耗與正的溫度系數(shù)。然而這類二極管對于高壓應(yīng)用來說并不理想，因?yàn)楦邏簯?yīng)用中漏電流與正向?qū)▔航狄叩亩唷１容^起來，SiC肖特基二極管在高壓領(lǐng)域更有吸引力。因?yàn)樘蓟璧膿舸╇妶鍪枪璧?0倍。此外SiC的寬帶隙容許較高的工作溫度[2].另外，在開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中，SiC肖特基二極管沒有反向恢復(fù)電流，這是因?yàn)樗鼪]有額外的少數(shù)載流子。雖然寄生結(jié)電容確實(shí)產(chǎn)生了位移電流但可以忽略不計(jì)。因此在CCM PFC應(yīng)用中，由于SiC肖特基二極管優(yōu)越的反向回縮特性，可不依賴于元器件的溫度與正向傳導(dǎo)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。[!--empirenews.page--]

圖4所示為SiC肖特基二極管和硅二極管的反向恢復(fù)特性對比。在這個(gè)例子中，F(xiàn)airchild公司的速復(fù)硅二極管按照tRR和VF區(qū)分為三種類型，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25℃時(shí)的反向恢復(fù)測試，硅二極管中出現(xiàn)了大量的反向恢復(fù)電流，而SiC肖特基二極管僅僅在電容中出現(xiàn)由p-n結(jié)反向偏壓形成的位移電流。SiC肖特基和硅二極管的V-I特性曲線均為溫度的涵數(shù)。正向電流較低時(shí)，溫度升高時(shí)VF減小。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，可觀察到肖特基勢壘兩端的電流呈指數(shù)特性。當(dāng)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(yùn)行結(jié)溫就越高。就原理而論，硅二極管的最高結(jié)溫為150℃[8],而SiC肖特基二極管有可能達(dá)到600℃。運(yùn)行溫度的增加允許其重量、體積、成本和熱量管理系統(tǒng)復(fù)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(shù)，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(yùn)行。SiC肖特基二極管的低QRR不僅減少二極管的開關(guān)損耗，而且能減少M(fèi)OSFET的導(dǎo)通損耗，使CCM PFC達(dá)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(dǎo)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(shè)計(jì)人員可以使用較小的MOSFET來減低成本。

MOSFET/SiC二極管集成模塊

SiC,碳化硅又稱金鋼砂或耐火砂。碳化硅是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生產(chǎn)綠色碳化硅時(shí)需要加食鹽)等原料在電阻爐內(nèi)經(jīng)高溫冶煉而成。目前我國工業(yè)生產(chǎn)的碳化硅分為黑色碳化硅和綠色碳化硅兩種，均為六方晶體，比重為3.20~3.25,顯微硬度為2840~3320kg/mm2.碳化硅包括黑碳化硅和綠碳化硅，其中：黑碳化硅是以石英砂，石油焦和優(yōu)質(zhì)硅石為主要原料，通過電阻爐高溫冶煉而成。其硬度介于剛玉和金剛石之間，機(jī)械強(qiáng)度高于剛玉，性脆而鋒利。綠碳化硅是以石油焦和優(yōu)質(zhì)硅石為主要原料，添加食鹽作為添加劑，通過電阻爐高溫冶煉而成。其硬度介于剛玉和金剛石之間，機(jī)械強(qiáng)度高于剛玉。

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，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(nèi)容為開關(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(dǎo)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估算元件的功率損耗。并且量測輸入與輸出功率來計(jì)算系統(tǒng)的功效。滿負(fù)荷下，MOSFET信號波形由高電平向低電平躍遷時(shí)，輸入為110Vac,開關(guān)損耗通過VDS與ID的交叉區(qū)來測量。SuperFET開關(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%)。

滿負(fù)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(fù)電流通過(除電感電流以外)，此電流來自于升壓硅二極管。然而SiC肖特基二極管僅僅有1.2A的位移電流，可忽略不計(jì)。所以使用硅二極管時(shí)MOSFET的開通損耗為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，滿負(fù)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(fù)電流峰值為5.3A,反向恢復(fù)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(fù)電流可忽略不計(jì)，反向恢復(fù)電壓為450V.這兩種MOSFET類型的不同動態(tài)特性形成不同的MOSFET開通損耗。由于SiC二極管的恢復(fù)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(fù)二極管相比，SiC二極管能夠降低61%的開通損耗。當(dāng)然，使用SiC肖特基二極管代替速復(fù)硅二極管與傳統(tǒng)的MOSFET組合，可以使MOSFET的關(guān)斷損耗降低78%,使其開通損耗降低23%.圖6所示為不同器件組合的功效測量結(jié)果。從圖中不難看出，在整個(gè)運(yùn)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)(滿負(fù)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(tǒng)器件高出4%.對于開關(guān)損耗的分析證明，通過減小SiC肖特基二極管的反向恢復(fù)電荷來減低MOSFET開通損耗，是提高功效的主要途徑。最終結(jié)果是增加了CCM PFC下的功率密度。