什么是PFC？
功率因數(shù)校正（PFC）源于開關(guān)模式電源（SMPS）之前的時代，與電機等線性功率負載有關(guān)，因為這些負載能夠為線路增加電感性負載。電機增加的影響是能夠使電流與線路電壓不再同相，而是滯后一定角度，這樣如果再測量電壓和電流RMS值，“視在”功率會比所預(yù)期的要大。這可以在數(shù)學(xué)上表示為兩個線頻電流，一個與線路電壓同相，另一個相差90度。同相電流為負載提供“實際”功率，而移相電流代表“無功”功率，這些功率無用，只會導(dǎo)致電流從電源流出并返回電源。該電流導(dǎo)致電阻性損耗，并且在極端情況下會出現(xiàn)連接或熔斷器故障。 “功率因數(shù)”定義為實際功率與視在功率之比。幸運的是，至少對于線性電機負載，所需的修復(fù)只是添加補償電容器。
電動汽車電池充電器等應(yīng)用中使用的開關(guān)電源（SMPS）也會使電流與電源電壓不同相，但其機制與電機不同。在SMPS中，交流（AC）線路被整流，并且隨后的大容量電容器在AC周期的峰值處被“充滿”能量。這意味著負載是非線性的，電流僅在電源周期的一小部分以短脈沖方式獲得，通常實際上扭曲了標(biāo)稱正弦電壓波形，使其峰值“變平”（見圖1）。
圖1：無功率因數(shù)校正SMPS的典型線電壓（上圖）和電流波形（下圖）。
電流波形現(xiàn)在與線頻的同相分量，表示“實際”功率，但是相差為90度的無功部分包括由非線性負載引起的許多不同幅度的諧波。我們現(xiàn)在很難應(yīng)用功率因數(shù)的定義，因此EN 61000-3-2等現(xiàn)代國際標(biāo)準定義了在指定線路諧波頻率下的“諧波電流輻射”限定值[1] [2]。 因此，功率因數(shù)校正仍然適用。
PFC級的演變
改善SMPS電流失真的早期方法是在大容量電容器之前串聯(lián)線頻電感器，但這種方法對于超過100W的應(yīng)用來說非常笨重且不實用�，F(xiàn)在最常見的解決方案是將整流線電壓通過升壓轉(zhuǎn)換器，之后它會輸出一個高于AC線路峰值的穩(wěn)壓DC（見圖2）。線電流一直在得到檢測，并且升壓轉(zhuǎn)換器的脈沖寬度調(diào)制迫使電流與線電壓保持同相，從而減少諧波電流并改善功率因數(shù)。但所帶來的一個副作用是大容量電容器需要工作在恒定的高電壓下，其中的能量存儲密度會更高，在線路中斷后具有更長的“擊穿（ride-through）”時間。
圖2：基本的升壓PFC電路。
雖然圖2中的橋式整流器和升壓轉(zhuǎn)換器組合方法已經(jīng)使用了多年，但它已經(jīng)成為系統(tǒng)提高效率的限制因素，因為隨后的轉(zhuǎn)換器級已經(jīng)提高到大約97％的效率。在實際運行中，橋電路中的兩個二極管始終以大約1V的壓降工作，因此，對于1 kW功率， 115 V輸入的轉(zhuǎn)換器，橋電路至少消耗18W的功率。這大約占效率損失約為2％，系統(tǒng)效率最高也只能達到95％。對于80PLUS Titanium效能標(biāo)準，在高線路電壓和半負載下，要求完整轉(zhuǎn)換器的效率超過96％，因此橋電路已經(jīng)是一個問題所在之處。
已經(jīng)采用線路同步MOSFET代替橋式二極管的方案，這種方案比較昂貴，并且需要專用的自供電控制器。業(yè)界已經(jīng)認識到一種更好的解決方案是將主開關(guān)也用作同步整流器，其中器件溝道被配置為僅從源極到漏極導(dǎo)通，這就是所謂“無橋圖騰柱”配置。如圖3（左）所示，通過重新排列組件能夠?qū)崿F(xiàn)這種配置。D5用類似Q1的開關(guān)代替，現(xiàn)在Q1和Q2用作升壓開關(guān)，同步整流器通過交流電源極性而實現(xiàn)交換功能。在這種配置中，只有一個二極管和開關(guān)的RDS（on）形成電流串聯(lián)，從而顯著降低了傳導(dǎo)損耗。
甚至可以更進一步，用同步開關(guān)代替D1和D2，以獲得更高的效率。 （見圖3右）。
圖3：無橋圖騰柱配置（左）和進一步的改進（右）。
挑戰(zhàn)和解決方案
幾個無橋圖騰柱PFC技術(shù)固有的問題已經(jīng)得到確定[3]，這些包括特殊的電流監(jiān)測要求，可靠的交流過零檢測和軟啟動問題�？刂艻C可用于解決上述問題，但是，有一個特殊的問題與使用的開關(guān)有關(guān)。Q1和Q2在都不導(dǎo)通時必須始終有“死區(qū)時間”，以便不會發(fā)生災(zāi)難性的“擊穿”電流。在死區(qū)時間內(nèi)，MOSFET的固有體二極管充當(dāng)整流器Q1或Q2，傳導(dǎo)全部輸出電流。當(dāng)器件在開關(guān)周期的下一階段反向偏置時，會產(chǎn)生較大的“反向恢復(fù)”電流，導(dǎo)致能量損耗和EMI問題，從而抵消效率的提升。高壓MOSFET可能具有特別差的體二極管反向恢復(fù)特性，因此，無橋圖騰柱電路一般不宜在較高功率下使用。這里假定為連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）。臨界和非連續(xù)模式不會強制體二極管導(dǎo)通，但由于涉及過高的峰值電流而不適合于高功率應(yīng)用。
隨著寬帶隙（WBG）開關(guān)的出現(xiàn)，現(xiàn)在情況發(fā)生了變化。 SiC MOSFET具有低溝道傳導(dǎo)損耗、較高的速度和快速體二極管。但是，二極管的正向電壓可以為2.5V～ 3V，從而導(dǎo)致高的導(dǎo)通損耗。器件電容中的存儲能量EOSS通常是Si-MOSFET等效值的兩倍，從而產(chǎn)生額外的開關(guān)損耗。增強型GaN器件是SiC MOSFET的競爭技術(shù)，它們沒有體二極管，但針對ON電阻（RDSA）的歸一化芯片面積幾乎是SiC MOSFET的兩倍，并且沒有雪崩或短路額定值，這使得它們在實際應(yīng)用中的可靠性成為一個大問題。 SiC MOSFET和E-GaN器件也都具有臨界柵極驅(qū)動電壓，能夠?qū)崿F(xiàn)可靠和高效的運行。
SiC共源共柵：最好的WBG解決方案？
通過使用SiC共源共柵（級聯(lián)）器件，有一種方法可以充分利用寬帶隙技術(shù)的優(yōu)勢。SiC共源共柵是高壓SiC J-FET與高性能共同封裝的低壓Si-MOSFET的組合。低開關(guān)損耗是與極低輸入、輸出和米勒電容以及低EOSS相關(guān)的特性，最終源于小晶片尺寸。SiC共源共柵的RDSA值比Si超級結(jié)MOSFET好十倍，比增強型GaN或者SiC MOSFET高2～4倍。
SiC共源共柵中的Si-MOSFET引入了一個體二極管，但是它屬于低電壓型，該二極管可以非�？焖�，因而具有低的反向恢復(fù)電流和損耗。圖4比較了650V額定值的UnitedSiC UJC06505T SiC共源共柵和650V的IPP65R045C7硅超級結(jié)MOSFET的恢復(fù)特性，顯示出大約60倍的回收電荷差異。
圖4：反向恢復(fù)特性比較：SiC共源共柵與Si-MOSFET。
用于SiC共源共柵的柵極驅(qū)動并不是非常關(guān)鍵，工作電平通常為0 ～12V，絕對最大值為±25 V，器件具有雪崩額定值，短路能力，并且沒有dV/dt限制......
真實世界的結(jié)果
UnitedSiC的一個演示板額定功率為1.5 kW，使用工作頻率為100 kHz的UJC06505K SiC共源共柵，演示結(jié)果表明，達到了80PLUS Titanium效能目標(biāo)，并具有一定的余量（見圖5）。
圖5：使用SiC共源共柵實現(xiàn)的無橋圖騰柱PFC級效率。
雙向電源轉(zhuǎn)換
電動汽車電池充電器與其他SMPS類似，因為它們需要PFC和轉(zhuǎn)換級來提供受控的電池充電。但是也需要將電力從電池返回到本地電網(wǎng)以用于能量平衡或家庭使用，并為用戶帶來相應(yīng)的經(jīng)濟利益。無橋圖騰柱PFC級在拓撲結(jié)構(gòu)上實際上與H型橋式逆變器相同，因此通過適當(dāng)?shù)母哳lPWM驅(qū)動到以線路頻率調(diào)制的開關(guān)，使DC總線成為電源，線路連接成為負載，形成反向能量流動。電池通過傳統(tǒng)的雙向隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生DC總線，同樣，SiC共源共柵由于具有低導(dǎo)通和體二極管損耗，因而非常適合于這種應(yīng)用。
總結(jié)
無橋圖騰柱PFC級一直在等待合適的半導(dǎo)體技術(shù)拓撲結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。作為一種牢固的解決方案，SiC共源共柵開關(guān)實現(xiàn)了這種拓撲結(jié)構(gòu)潛在的效率階躍提升，并具有配置為雙向功率轉(zhuǎn)換的巨大潛力。UnitedSiC能夠提供理想適用于這些應(yīng)用的多種SiC共源共柵器件。
UnitedSiC是今年由Electronics Weekly主辦的Elektra Awards的決賽入圍廠商。 |
