工程師面臨著設計具有更高效率和功率密度的AC-DC電源的壓力，同時滿足電源諧波發射標準。“圖騰柱”功率因數校正級是實現這一目標的關鍵工具，但使用寬帶隙半導體開關的設計非常復雜，在優化控制、柵極驅動、EMC、熱管理等方面存在挑戰。因此，使用SiC或GaN可以花費大量的時間和精力來獲得通常令人失望的結果。

本文介紹了一種多級圖騰柱PFC拓撲，該拓撲利用硅MOSFET的簡單性和成熟度以及一種新穎的模塊化柵極驅動方法，實現了與使用寬帶隙半導體的傳統電路相比，通常具有相當的效率和更低的成本。

聚碳化物拓撲結構的演變

從2001年開始，歐洲的電源制造商看到了其行業的巨變，強制要求滿足歐洲“EMC指令”的一部分標準EN 61000-3-2。該標準限制了注入回交流線路的諧波電流，用于最大額定電流為16A的設備，強制要求功率因數校正。該要求現在是全球性的，例如美國的“能源之星”指南，設定了類似的標準。

在較高功率電平下實現一致性的實用方法是使用有源PWM電路，該電路迫使繪制的線路電流接近正弦。雖然轉換級可以采取不同的形式，但首選“升壓”轉換器，因為它可以工作到低輸入交流電壓并產生穩定的高壓軌，其中可以有效地存儲穿越能量。該“升壓PFC”級最初采用線橋整流器和升壓拓撲的形式，圖1（左）。隨著對更高效率的需求，例如在能源之星“80+”方案中，電路變得不可行，動力傳動系中任何時候都導通的三個整流器的損耗過高，特別是在低線路下。提出的解決方案是“圖騰柱無橋PFC”（TPPFC）拓撲圖1（中間），其中轉換分為兩個半波整流階段。升壓開關和由 Q1 和 Q2 交換形成的同步二極管在交流輸入的交替極性上起作用。D1和D2以線路頻率導通，因此動態損耗微不足道，但如圖1（右）所示，它們可以被同步整流器Q3和Q4取代，以逐步改善傳導損耗。Q3 和 Q4 稱為“慢速”開關支路，Q1 和 Q2 稱為“快速”支路，以高頻方式切換。控制很復雜，只有有限的專用控制器選擇，無論是模擬還是數字，但通過優化電感器和適當的熱管理，可以保證良好的結果。

圖 1.從左到右 - 簡單的升壓PFC，圖騰柱PFC和完全同步版本。圖片由博多的電力系統提供 ［PDF］

根據器件選擇的不同，存在任意的低壓降和傳導損耗，但TTPFC電路被證明不適合在高頻和高功率下使用硅超結MOSFET用于快速支路。這是因為該拓撲通常在高功率水平下以連續導通模式（CCM）工作，以實現可管理的峰值電流。然而，這會導致“硬”開關，其中Q1和Q2的體二極管被迫導通。當它們隨后被正向偏置時，硅SJ-MOSFETS的高回收能量會在高開關頻率下導致過度損耗，如果保持低頻率進行補償，則電感器尺寸和成本是不可接受的。

世行集團交換機承諾提供解決方案，但。..

寬帶隙（WBG）半導體被譽為該問題的答案，SiC具有低反向恢復電荷（Qrr），而GaN實際上沒有。不過，這些器件確實存在缺點，特別是與Si-MOSFET相比，單位成本。SiC體二極管速度很快，但仍然具有恢復電荷和一個高正向壓降（約3V）。SiC MOSFET仍然可能存在閾值不穩定問題，需要在制造過程中以一定的成本進行篩選，并且柵極驅動需要大約18V才能完全增強，通常接近絕對最大額定值。GaN器件具有低得多的柵極閾值，使其容易受到噪聲的影響，并且具有僅約7V的低絕對最大柵極電壓。柵極驅動至關重要，并且沒有柵極氧化物，因為超過閾值，柵極電流會流動，必須加以控制。GaN HEMT電池也沒有雪崩特性，因此過電壓意味著瞬間失效。

SiC和GaN都具有令人印象深刻的開關速度，但在實際電路中，這使得PCB布局極其關鍵，并且必須減慢邊沿速率，以避免難以管理的EMI和寄生電感造成的破壞性電壓過沖。因此，在采用WBG器件的TPPFC應用中，開關頻率通常低于100kHz，這不僅是為了降低動態損耗和提高效率，而且還將基波設置為CISPR22/32傳導EMI發射限值線的150kHz以下。由于它們列出的缺點，并且沒有WBG器件MHz開關所具有的小電感器尺寸的好處，它們的吸引力有所降低，由于缺乏封裝標準化而加劇。

更好的多層次方式

還有一種替代方案 - 與WBG解決方案一樣高效，但成本更低，使用標準硅MOSFET - 多級TPFC（圖2）。

圖 2.多級圖騰柱PFC階段。圖片由博多的電力系統提供 ［PDF］

在這種拓撲結構中，兩個快速FET被兩組四個串聯的硅MOSFET取代，對于400 V DC輸出總線，每個FET的額定電壓僅為150 V，允許使用具有非常低導通電阻和二極管反向恢復電荷的多源器件，從而產生與WBG解決方案相當的總體損耗。可以使用兩組兩個MOSFET，但這些FET都需要額定電壓為300 V，這并不常見，因此形成復合器件的兩個串聯連接的MOSFET（例如Q1和Q2）一起被驅動。支路中的開關分為兩組：Q1、Q2、Q7、Q8 和 Q3、Q4、Q5、Q6，每組都以反相方式驅動。當 Q1 和 Q2 打開時，Q7 和 Q8 關閉，反之亦然。同樣，Q5 和 Q6 的驅動信號是 Q3 和 Q4 的驅動信號的反相版本。MOSFET Q3 和 Q4（類似 Q5 和 Q6）的驅動信號的時序是 Q1 和 Q2（類似 Q7 和 Q8）的驅動信號的時序，延遲了半個開關周期。輸入電流和輸出總線電壓的調節是通過在不同的占空比（例如，在 Q1/Q2 和 Q3/Q4 之間）對 MOSFET 組進行相移調制來實現的（圖 3）。

圖 3. 線路電流整形和輸出電壓調節是通過對具有不同占空比的 MOSFET 驅動器進行相移調制來實現的。圖片由博多的電力系統提供 ［PDF］

電感電流圖說明了多電平方法的一個主要優勢 - 與傳統的TPPFC相比，電感器可以看到兩倍的頻率和一半的電壓，或四分之一伏秒，這將電感尺寸減小到四分之一左右，從而帶來成本和重量優勢。通常，可以使用低成本的“森多斯特TM”內核。低伏秒產品也降低了差分EMI，從而進一步節省了EMI濾波器的尺寸和成本。

“飛線”電容 CFL 在 Q2/3 和 Q6/7 結之間保持一半的總線電壓，如有必要，可以通過另外兩個電容器和鉗位二極管來確保串聯對兩端的電壓平衡，這些電容器和鉗位二極管在正常工作時不會耗散功率。二極管 D1 和 D2 在啟動時將 CBULK 浪涌電流從電感器中轉移出去，以避免導致高初始開關電流的磁飽和。

優化功率半導體和驅動器

八個硅MOSFET和隔離式柵極驅動器可能看起來令人生畏，但耗散功率分布在整個器件中，因此它們可以很小且表面貼裝。例如，在3kW設計中，它們每個功耗可能只有2.5W，因此通常采用小型5mm x 6mm“SuperSO-8”封裝，并使用PCB焊盤作為散熱器。在兩級WBG實施中，熱量集中在可能需要引線的兩個設備的熱點中，例如TO-247，具有額外的裝配成本和可靠性問題。

傳統上，柵極驅動的選項包括笨重且昂貴的有源電路，這些電路需要光耦合器進行隔離和隔離電源軌，通常是雙極性。在某些方案中，脈沖變壓器可以取代光電開關，但同樣為了獲得最佳性能，這些通常之后是有源驅動級。ICERGi 的 IC70001 器件采用纖巧的 2mm x 2mm U-DFN2020-6 封裝，可顯著降低尺寸、成本和復雜性。該驅動器從內部單穩態產生最佳的柵極驅動波形，具有精確的傳播延遲，由外部變壓器的短脈沖觸發和關斷。脈沖的持續時間通常只有100ns，因此變壓器很小，匝數很少。它們可以方便地在轉換器 PCB 中作為平面類型實現，ICERGi 可以使用 EE 型 4 x 7mm 鐵氧體磁芯為合適的設計提供布局。由于MOSFET成對驅動，因此實際上只需要四個變壓器。每對柵極的驅動器仍必須相互隔離，但這是在具有獨立繞組的單變壓器上實現的，該繞組可以位于E-core的每個外側支腿上，從而實現所需的隔離爬電距離和間隙。變壓器的小尺寸和結構也提供了低隔離電容，這是良好的DV/dt抗擾度所必需的。

優化控制

獲得最高效率和可靠性取決于如何控制多級TPPFC級，并且在沒有專用IC的情況下，ICERGi開發了專有固件，可在標準ARM Cortex-M0微控制器上運行，具有最小的計算負載，以及一些指定的外部邏輯，執行所有必要的功能：功率因數校正、輸出總線電壓的調節以及所有必要的參數檢測和保護功能。例如，除了“智能”過載、過壓和過熱監控外，固件在啟動和瞬態條件下直接控制跨接電容電壓，從而確保了MOSFET之間的電壓平衡，并且其額定值不超過。使用現成的微控制器可提供電源安全性，并且可以根據需要包括額外的功能，例如驅動到“慢速”腿同步MOSFET門或通過通信接口進行控制和監視。

性能基準測試

ICERGi在參考設計和演示板中通過其柵極驅動器和控制固件證明了多級TPPFC方法的有效性。例如，額定功率為 3kW 的版本，輸入范圍為 85 VAC 至 265 VAC，對于包含 EMI 濾波和輔助電源的完整功能單元，可實現約 100/in3 的功率密度（圖 4）。該裝置的效率峰值約為 99.3%（圖 5），同時符合 IEC/EN 61000-3-2 線路電流諧波和 EN 55022/32 傳導發射限值，裕量為 10dB。

圖 4.ICERGi 的 3kW 參考設計，采用多電平 TPPFC 技術、硅-MOSFET 和 ICERGi 控制器和柵極驅動器。圖片由博多的電力系統提供 ［PDF］

圖 5.圖4中參考設計的實測效率。圖片由博多的電力系統提供 ［PDF］

作為所述設計方法優勢的總結，表1比較了使用Si SJ-MOSFET加SiC二極管的傳統方法的屬性，兩級GaN解決方案和多級ICERGi解決方案。也許最有說服力的比較是BOM成本 - ICERGi的分析顯示，與GaN相比節省了33%，與SiC相比節省了25%，具有相當的效率，包括ICERGi固件的許可費。

表 1.TPPFC 方法之間的性能比較。圖片由博多的電力系統提供 ［PDF］

ICERGi還將控制器及其支持組件和柵極驅動器封裝到各種“可插拔”模塊中，這些模塊可用于評估客戶設計中的技術。

結論

采用硅MOSFET的多級TPFC方法可以像WBG解決方案一樣高效，并且成本更低，而無需交錯到至少3kW。通過使用低壓現成的Si-MOSFET消除了對昂貴的單源WBG設備的擔憂，ICERGi的自供電驅動器是一種優雅，低成本的解決方案。許可ICERGi固件允許設計人員使用商用ARM處理器作為控制器，從而消除了對單源專用IC的依賴 - 這是組件分配和供應中斷的重要因素。此外，參考設計使設計導入變得簡單，降低了研發過程的風險，并加快了最終產品的上市時間。