在CCM图腾柱PFC设计中实现最高效率

采用 Si 超结 (SJ) CoolMOS™ MOSFET 的创新解决方案

介绍

在服务器和电信 SMPS应用中，最高效率和功率密度不仅是流行语，而且是明确的市场趋势。鉴于实际情况，迫切需要增加服务器容量和快速连接以进行实时数据传输。实现这一目标需要高效的服务器和电信开关电源 (SMPS)。不可避免地，SMPS 的输出功率水平必须达到更高水平，同时保持相同的外形尺寸。这种苛刻的组合解释了为什么功率密度变得越来越重要。除了性能之外，系统成本降低以及模块化和设计简单性也是重点。

为了满足这些要求并通过 98% 的整体效率为更绿色、更安全的世界做出贡献，实现功率因数校正 (PFC) 的超高效率水平至关重要。在这种情况下，标准 PFC 拓扑确实面临限制，可以观察到无桥 PFC 拓扑的趋势，如连续传导模式 (CCM) 图腾柱 PFC [1]。PFC 应用中的升压转换器传统上由 CCM 控制。在这种工作模式下，半桥开关主要在硬换向模式下工作，从而避免了使用硅 (Si) 超结 (SJ) MOSFET 的可能性。如果保持低成本是设计中的主要驱动因素，硅隔离栅双极晶体管 ( IGBT ) 与反并联碳化硅 (SiC) 二极管 是首选选项 [2]。

但是，对于高端应用，如果 Si SJ MOSFET（例如英飞凌的CoolMOS™ 晶体管产品）) 在图腾柱 PFC 半桥中实现，需要不同的控制策略。在这种情况下，三角电流模式 (TCM) [3] 会延长导通时间以恢复电感电流并获得零电压开关 (ZVS) 操作。然而，由于电感电流纹波较高，因此必须至少交错两个功率级。全 ZVS 操作可提高效率；然而，零件数量的增加需要更高的开关频率来增加功率密度。此外，控制复杂性（与可变开关频率交织）显着增加。当 Si SJ MOSFET 在 CCM 操作的半桥配置中使用时，不能期望高效率。相反，甚至可能发生灾难性故障 [4]。器件的OSS，以及 Si SJ MOSFET 固有体二极管的极高反向恢复损耗（图 1）。

为克服这些困难并使在半桥 CCM 操作中使用 Si SJ MOSFET 成为可能，英飞凌科技开发并实施了一种有吸引力且简单的解决方案。实施的创新原型以极具吸引力的性价比实现了 CCM 图腾柱 PFC 拓扑的最高效率。在以下部分中，我们将介绍我们系统解决方案的工作原理和实测实验结果。

Si SJ MOSFET 的高频半桥操作

使用建议的解决方案，续流或“二极管模式”（图 2 中的 Q2）Si SJ MOSFET的 C OSS电容被预充电到某个电平，例如 24 V（图 1）。这种预充电极大地降低了与其输出电容电荷 (Q OSS ) 和其体二极管在关断转换期间的反向恢复电荷 (Q rr )相关的损耗，因为这些电荷是由低电压源提供的。结果是 Si SJ MOSFET 的换向损耗显着降低。此外，图腾柱 PFC 的正常 CCM 操作中的连续硬换向现在是可行的。

图 1：Si SJ CoolMOS™ 的半桥电容变化

建议的“预充电”解决方案需要一个高压肖特基二极管（图 2 中的 D1 和 D2）、一个低压 (LV) MOSFET（图 2 中的 Q3 和 Q4）和一个电容器（C HS_DP和 C LS_DP ) 半桥中的每个功率器件，以及两个电源电压，用于驱动 LV MOSFET 并提供预充电电压。该解决方案还实现了电平转换（自举电容器）技术，使用传统驱动器来提供驱动器电源和耗尽电压（在图 2 中分别以橙色和灰色突出显示）。

在图 2 的半桥配置中，考虑到连接到开关节点的电感器中积累的能量，Q2 通常在 Q1 关闭后通过软开关开启。然而，当 Q2 关断时，电感电流不断流过其体二极管，而当 Q1 导通时，体二极管电流会发生硬换向，导致灾难性的后果。通过应用所提出的解决方案，Q rr被移除，同时，Q2 Si SJ MOSFET的输出电容 (C OSS ) 中的电荷显着减少，因此其相关损失。

驱动器输入端包含的 R x -C x和 R y -C y滤波器网络允许将 PWM 信号正确定时到半桥器件和添加的 LV 开关；因此，不需要来自控制器的额外 PWM 信号。

图 2 中的电路图描绘了使用建议解决方案的典型双脉冲测试平台。此设置配置反映了在 CCM 中运行的图腾柱 PFC 中“二极管到开关转换”的相同情况，其中“二极管模式”开关的硬换向发生在每个开关周期。

图 2：在半桥配置中使用 CoolMOS™ 的建议解决方案的电路图。

使用建议的解决方案进行硬换向转换

图 3 显示了在实现 Si SJ MOSFET Q1 和 Q2 的半桥换向期间发生的主要波形。为方便读者，显示在不同 PWM 事件中发生的转换的时间轴未按比例显示。

图 3：建议解决方案的换向波形

在 t 0之前的状态中，电感器通过 Q1 通电，这将在图腾柱 PFC 中实现开关功能。一旦 Q1 关闭，电感电流就会流过 Q2，首先通过其体二极管，然后在 Q2 开启后流过器件的通道。

在给定的时刻 (t 0 )，Q2 必须关闭，以便在开启时电流将再次流过 Q1。经过一定的延迟时间后（由于Q2 栅极驱动器输入端的 R y -C y网络），Q2 的栅极-源极电压信号也在 t 1处将其状态更改为关闭。在任何半桥的强制死区时间内 (t 1 -t 2 )，电感电流通过 Q2 的体二极管续流。在此期间，开关节点钳位至地，电压降为 –V BD-Forward。此外，除了C HS_DP之外，所有用于驱动电压和耗尽电压的自举电容器都被充电。

然后，在相应的死区时间之后，应用 PWM B，Q4 栅极驱动器输入端的 C X R X网络生成特定持续时间的脉冲。在t 2 时，预充电MOSFET Q4 导通，预充电电流（预充电I“二极管”）在C LS_DP -Q4 -D2-Q2 网络中循环。该电流的有效循环取决于这样一个事实，即这种预充电电流的幅度必须高于流经 Si SJ MOSFET Q2 体二极管的续流负载电流。在预充电电流 (t 3 ) 结束时，Q2 的本征体二极管停用，漏源电压 (V DS,Q2) 预充电至 24 V，从而带来以下好处：

该预充电电压使半桥电容更接近非线性 C OSS曲线的拐点（图 1）。

此时的换向损耗远低于漏源电压为负或接近零的点。如果没有预充电，损耗将包括体二极管 Q rr损耗和与Q2 的Q OSS损耗相关的非常大的输出电容。

如图 3 所示，预充电电流波形有两个峰值脉冲，第一个在 t 2和 t 3 之间，与 Q2 C OSS的充电有关，第二个（幅度较低）在t 2和 t 3之间t 3和t 4是由于与预充电回路的杂散电感的谐振。

当延迟的 PWM B 信号最终在 t 4到达 Q1 的栅极时，Q2的 C OSS已经耗尽了 20~24 V，这为二极管到开关的平滑过渡设置了阶段。

当换向和瞬态事件在 Q1 和 Q2 中发生时，施加到预充电 MOSFET Q4 的脉冲持续时间超过 t 4。这样做是为了保证 Si SJ MOSFET Q1 在导通期间的适当损耗。如果此脉冲短，则 Si SJ MOSFET 发生严重硬换向的可能性很高，如果长时间发生，则会产生破坏性结果。同样，LV MOSFET 可以在雪崩中连续运行。

当 PWM B 信号变低时，与之前类似，由于Q1 栅极驱动器输入端的 R Y C Y网络，在 t 5设备完全关闭之前有一定的延迟。由于负载或电感电流，在通道完全关闭后，Q1的 C OSS将立即充电至 400 V，Q2的 C OSS将放电至 0 V，从而为 Q2 产生 ZVS 转换。这就是 PFC 应用中“开关到二极管”转换的情况。在这种情况下，高边开关 (C HS_DP -Q3-D1)的预充电电路不会影响具有 Si SJ MOSFET 的半桥的运行。

当负载或电感器电流足够高以允许相应的 C OSS充电和放电时，二极管的这种 ZVS 导通转换是可能的。但是，如果此转换时的电感电流不足以对半桥器件的 C OSS进行充电和放电，则会发生硬开关转换。这种情况在图 3 中显示为 t 6之后的虚线。在这种情况下，施加到预充电 MOSFET Q3 的脉冲变为有效，并通过 C HS_DP使 Q1 C OSS充电至耗尽电压–Q3-D1-Q1 网络。一旦 Q2 导通，其漏源电压将再次下降到接近于零，并且无需严重的硬开关即可实现“切换到二极管”的平滑过渡。

英飞凌演示板上的实验结果

本文中提出的概念已经在3.3 kW 图腾柱无桥 PFC 中进行了测试，开关频率为 65 kHz，并使用了 SMD 组件。

图 4：采用
CoolMOS™ CFD7 和 S7 SJ MOSFET实现的 3.3 kW 图腾柱 PFC 板的原型

图 4 所示的演示板是英飞凌科技的系统解决方案，实现了表 1 所示的电源开关、二极管、驱动器和控制器。预充电电路已根据 [5] 设计，并根据到表 2 中编制的设计值。

设备	零件号
图腾柱半桥 MOSFET	4x IPT60R090CFD7
预充电 LV MOSFET	2x BSZ440N10NS3
预充电 SiC 二极管	2x IDDD08G65C​​6
隔离驱动器	2 个2EDF7275F
非隔离驱动器	1 个1EDN8511B
图腾柱低频MOSFET	2x IPT60R022S7
微控制器	XMC1402

表 1：在采用 Si
SJ CoolMOS™的 3.3 kW 图腾柱评估板中使用的英飞凌产品

范围	价值
L环	24 nH
V CC /V ON /V OFF驱动器输入	5 V / 2 V / 1 V
Q RR	0.9μC
Ť QRR	42 纳秒
Ť环	21 纳秒
我PreCharge_pk	63A
二极管在 100 ºC	IDDD08G65C​​6
二极管在 150 ºC	IDDD10G65C6
低压MOSFET	BSZ440N10NS3
R x / R y / C x = C y = 100 pF	790 Ω / 1.24 kΩ

表2：半桥并联使用2x IPT60R090CFD7时的预充电回路参数

图 5 和图 6 显示了演示板的效率。测量的效率包括偏置消耗，但不包括风扇的功耗。就输入电流性能而言，当负载高于标称输出功率的20%时，功率因数大于0.95，输出功率高于标称输出功率的50%时，THD低于5%。最大效率在 1000 W 至 1500 W 输出功率范围内超过 98.9%，在测量功率范围内超过 98%。借助 CoolMOS™ CCM 图腾柱 PFC 解决方案，可以将硅基效率提高到一个新的水平，使其成为具有成本吸引力的替代方案，补充了我们强大的宽带隙解决方案。

图 5：图腾柱 PFC 的效率测量与建议的解决方案，包括偏置电源，并且不考虑风扇消耗

将 CoolMOS™ 与 OptiMOS™、EiceDriver™ 以及 650 V 碳化硅肖特基二极管相结合，可以在 PFC 级中达到接近 99% 的峰值效率。

结论

英飞凌使用简单有效的预充电电路，可以耗尽 Si SJ MOSFET，从而将 Q OSS和 Q rr损耗降至最低，英飞凌现在可以在 CCM 图腾柱 PFC 应用中使用 Si SJ MOSFET。

本文基于采用英飞凌CoolMOS™ 超级结 MOSFET技术（CoolMOS™ CFD7和CoolMOS™ S7 SJ MOSFET）实现的图腾柱 PFC 板演示板展示了这一创新概念的工作原理和实验结果。

英飞凌的系统解决方案实现了功率开关、二极管、驱动器和控制器，借助 CoolMOS™ 技术，它可以在 1000 W 至 1500 W 输出功率范围内实现超过 98.9% 的最大效率，在测量范围内实现超过 98%功率范围。

依靠英飞凌广泛的产品和解决方案组合，转换器系统设计人员能够以理想的性价比达到 CCM 图腾柱 PFC 的最高效率水平，并满足高端服务器和电信应用的要求。

要了解有关我们的 CCM 图腾柱 PFC 系统解决方案的更多信息，请访问电路板页面。

审核编辑：汤梓红