柵極驅(qū)動器如何影響PFC電路的性能

記得今年早些時候的一篇博客文章將功率因數(shù)校正（PFC）比作啤酒嗎？這個比喻太精彩了！在這一類比中，杯中啤酒代表電子裝置實際上需要的“有功功率”，頂部的泡沫代表“無功功率”，整杯啤酒加上泡沫代表“表觀功率”。今天，我打算提出一個相關(guān)的比喻來解釋柵極驅(qū)動器在PFC設(shè)計中的作用。

首先，讓我們來簡單介紹一下PFC電路的分類。PFC電路整體上分為無源（被動式）或有源（主動式）電路。創(chuàng)建無源PFC電路，需要使用電容器和電感器等無源元件增加電流導(dǎo)通角并平滑脈沖，減少電流的諧波失真。這種方法簡單可靠，但是，當(dāng)功率較高時，無源元件的尺寸和成本會成為較大的問題。無源PFC設(shè)計獲得的功率因數(shù)（PF）只能達(dá)到0.9，而且會受到頻率、負(fù)載變化和輸入電壓的影響。

有源PFC使用DC/DC電路，電路中有MOSFET、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）或其他有源元件，以強制電流保持電壓的波形和相位。與無源PFC相比，有源PFC可以獲得更高的PF，而且對輸入電壓沒有嚴(yán)格要求。有源PFC的缺點包括相對復(fù)雜的電路；效率也會受到有源元件損耗的影響。

可以使用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來實現(xiàn)有源PFC電路，例如升壓PFC（也稱為傳統(tǒng)PFC）、雙升壓無橋PFC和圖騰柱無橋PFC。每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包含不同數(shù)量的有源元件，都有自己的優(yōu)點和缺點。當(dāng)設(shè)計PFC時，應(yīng)該考慮每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的效率和額定功率，然后決定使用哪種類型的控制器。然而，許多設(shè)計者忽視的部分是連接控制器切換FET的柵極驅(qū)動器。柵極驅(qū)動器顯得太普通而不被人關(guān)注，但是柵極驅(qū)動器對于系統(tǒng)性能具有重要作用。

柵極驅(qū)動器本質(zhì)上是用最少的開關(guān)損耗將邏輯信號提高為高電流和高電壓信號實現(xiàn)快速導(dǎo)通和關(guān)斷MOSFET或IGBT的放大器。同樣以與啤酒相關(guān)東西來類比，電源開關(guān)MOSFET或IGBT就像是啤酒龍頭手柄，柵極驅(qū)動就像調(diào)酒師手上的肌肉，控制器就像調(diào)酒師大腦。調(diào)酒師的技能和龍頭手柄的質(zhì)量都會影響杯中實際能夠得到的啤酒量。

在PFC電路中，柵極驅(qū)動器切換升壓級中的晶體管，以調(diào)節(jié)電流，強制電流與正弦波電壓保持相同的相位。那么，柵極驅(qū)動器如何影響PFC電路的性能？幾個參數(shù)和功能起著至關(guān)重要的作用：

• 驅(qū)動電流。雖然不是每個應(yīng)用都需要強大的電流驅(qū)動（較大的瞬態(tài)電流可能產(chǎn)生電磁干擾（EMI）問題），較高功率的應(yīng)用將需要更強的電流驅(qū)動同時驅(qū)動多個場效應(yīng)晶體管（FET）。因此，高驅(qū)動電流為范圍廣闊的功率應(yīng)用提供了靈活性。
• 開關(guān)特性。包括傳播延遲、延遲匹配、以及信號的上升和下降時間。開關(guān)時間會大大地影響電源開關(guān)的速度，使控制更可預(yù)測和準(zhǔn)確。短延遲匹配還降低了擊穿風(fēng)險，使設(shè)計更容易。
• 互鎖功能。擊穿保護(hù)，也稱為互鎖功能，在使用半橋式或全橋式電路的一些應(yīng)用中非常重要。在圖騰柱PFC中，兩個電源開關(guān)（一個高側(cè)FET，一個低側(cè)FET）交替導(dǎo)通和關(guān)斷。如果兩個開關(guān)同時導(dǎo)通，電流會流過兩個FET，可能會損壞系統(tǒng)。互鎖功能可以防止擊穿發(fā)生,將兩個FET都關(guān)斷，并在短時間內(nèi)導(dǎo)通其中一個。正如德州儀器的《基于GaN FET的CCM圖騰柱無橋PFC》電源設(shè)計研討會論文中所描述，此設(shè)計使用兩個硅MOSFET和兩個氮化鎵(GaN)高電子遷移率晶體管(HEMT)降低傳導(dǎo)損耗。需要兩個驅(qū)動器：一個半橋驅(qū)動器驅(qū)動常規(guī)硅MOSFET，另一個半橋驅(qū)動器驅(qū)動GaN晶體管。TI的600VLMG3410GaN功率級將橋式驅(qū)動器和GaN晶體管集成到一個封裝內(nèi)，進(jìn)一步降低了功耗，改善了EMI。為了驅(qū)動硅FET，具有互鎖功能的橋式驅(qū)動器提高了設(shè)計的可靠性。

隨著更多國家的法規(guī)強制要求更高的效率，PFC將在各種應(yīng)用中使用的越來越多。明智地選擇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和元件可以讓PFC更高效，滿足需求。而且不要忘了柵極驅(qū)動器——調(diào)酒師手上的肌肉。

現(xiàn)在已經(jīng)了解了柵極驅(qū)動器的重要性，但在PFC設(shè)計中大腦起著更重要的作用。德州儀器提供了廣泛的PFC控制器解決方案，包括用于單相和多相交錯PFC的模擬和數(shù)字控制器。

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其他信息

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• 閱讀博客文章《準(zhǔn)備好使用圖騰柱PFC了嗎?》

審核編輯：符乾江