資料介紹
為了滿足能源之星(ENERGY STAR)等規范的要求以及消費者降低碳排放的愿望,功率電子產品設計團隊正在不斷努力提高系統效率,以求盡量接近額定100%效率的終極目標。此外,目前調節器實際上需要在電源第一級采用功率因數校正(Power Factor Correction,PFC),以盡量提高功率因數(PF),減少電力線的損耗。功率因數的大小與電路的負荷性質有關,如白熾燈泡、電阻爐等電阻負荷的功率因數為1,一般具有電感性負載的電路功率因數都小于1.功率因數是電力系統的一個重要的技術數據。功率因數是衡量電氣設備效率高低的一個系數。功率因數低,說明電路用于交變磁場轉換的無功功率大,從而降低了設備的利用率,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有一定的標準要求。
方法之一就是運用被動PFC的低成本解決方案,但是這一方案需要一個笨重的大體積LC濾波器。主動PFC廣泛用于減少系統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方案的關鍵設計因素。對于大功率交-直流變換器來說,連續傳導模式(CCM)升壓型主動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產生的波紋電流更小,可簡化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系統的尺寸、重量,或者增加開關頻率,集成有源元件。
一種新型的MOSFET/二極管組合可以實現較高的功效,減少開關損耗。并且通過降低MOSFET的導通電阻,提高其開關速度完成CCM PFC控制器的設計。上述性能的改善,都離不開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的組合方式進行比較,可看出本文所述MOSFET/二極管組合的優點。
與DCM升壓電感的恒流相比,CCM下的PFC具備更多優勢。通過EMI濾波的電流要比DCM或CRM中小得多,因此這些優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關損耗決定,事實上開關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,同時還有二極管中的少量積累電荷。在開關導通的過程中,MOSFET M1導通,二極管D1關斷。巨大的導通電流流過MOSFET,除了經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M1的封裝電感及其他存在于外部回路的寄生電感進行限制。二極管電流波形的負值區域便是反向恢復電荷QRR,其中時間間隔長度(t0到t2)是反向恢復時間tRR.在t0與t1之間時,二極管保持正向偏置,因此MOSFET電壓為VOUT+VF.在t1時間,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。[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的功效與開關頻率。
方法之一就是運用被動PFC的低成本解決方案,但是這一方案需要一個笨重的大體積LC濾波器。主動PFC廣泛用于減少系統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方案的關鍵設計因素。對于大功率交-直流變換器來說,連續傳導模式(CCM)升壓型主動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產生的波紋電流更小,可簡化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。
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與DCM升壓電感的恒流相比,CCM下的PFC具備更多優勢。通過EMI濾波的電流要比DCM或CRM中小得多,因此這些優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關損耗決定,事實上開關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,同時還有二極管中的少量積累電荷。在開關導通的過程中,MOSFET M1導通,二極管D1關斷。巨大的導通電流流過MOSFET,除了經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M1的封裝電感及其他存在于外部回路的寄生電感進行限制。二極管電流波形的負值區域便是反向恢復電荷QRR,其中時間間隔長度(t0到t2)是反向恢復時間tRR.在t0與t1之間時,二極管保持正向偏置,因此MOSFET電壓為VOUT+VF.在t1時間,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。[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的功效與開關頻率。
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