如何設(shè)計可靠的多電平無橋圖騰柱PFC

多級圖騰柱 PFC 為設(shè)計人員提供了優(yōu)于 2 級設(shè)計的市場吸引力優(yōu)勢，包括顯著更小的電感器、更低的 dv/dt 和更低的開關(guān)損耗。開關(guān)工作電壓的固有降低使多級 PFC 能夠通過低成本標(biāo)準(zhǔn)多源 150V MOSFET 以最小的反向恢復(fù)時間和電荷來最佳實(shí)施。與市場上現(xiàn)有的寬帶隙 (WBG) 解決方案相比，這種實(shí)施方式能夠以低得多的系統(tǒng)成本實(shí)現(xiàn)超過 99.2% 的同類最佳效率。

圖騰柱PFC的多級實(shí)現(xiàn)

a) 拓?fù)?。圖片由

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b) 兩個開關(guān)單元的相移 PWM 調(diào)制。圖片由

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圖 1.

使用 150V MOSFET 的無橋圖騰柱 PFC 設(shè)計。圖片由

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由于傳導(dǎo)損耗最低，無橋圖騰柱布置是單相 AC/DC 應(yīng)用的首選 PFC 拓?fù)?[1]、[2]。高頻開關(guān)支路可以使用 650V WBG 器件 [1] 以 2 級方式實(shí)現(xiàn)，也可以基于現(xiàn)成的 150V MOSFET [2] 以多級方式實(shí)現(xiàn)。圖 1(a) 所示的后一種實(shí)施方式可實(shí)現(xiàn)最佳功率轉(zhuǎn)換，磁性元件減少 75%，BOM 成本降低 50%。這些巨大的好處是電力如何數(shù)字調(diào)制和從交流電轉(zhuǎn)換為直流電的直接結(jié)果。具體而言，8×150V MOSFET（Q 1至Q 8）和電容器C 2被布置以形成兩個2電平開關(guān)單元。內(nèi)細(xì)胞包括Q 3、Q 4、Q 5和Q 6被控制為180度相移到由Q 1、Q 2、Q 7和Q 8組成的外部單元。每個單元中的串聯(lián) MOSFET，例如 Q 3和 Q 4，由基于 ICERGi IC70001 的隔離式低成本柵極驅(qū)動電路共同驅(qū)動開和關(guān)。兩個開關(guān)單元的示例性驅(qū)動信號如圖 1(b) 所示。

由于兩個開關(guān)單元是級聯(lián)和相移的，多電平拓?fù)浔葌鹘y(tǒng)的兩電平解決方案更高效、更安靜地處理電源。特別是，功率轉(zhuǎn)換發(fā)生在輸出電壓的一半和功率器件開關(guān)頻率的兩倍，從而導(dǎo)致：

• 主電感的伏秒積減少 4 倍。這允許使用低成本標(biāo)準(zhǔn) Sendust 環(huán)形磁芯和實(shí)心漆包線將電感器設(shè)計縮小 4 倍，從而將 BOM 成本降低 50%。除了成本和尺寸優(yōu)勢之外，較小的電感器在低壓線路運(yùn)行時效率更高，從而進(jìn)一步提高了轉(zhuǎn)換器效率。
• 更低的開關(guān)損耗
• 降低 dv/dt，這對限制 EMI 效應(yīng)很有價值

與任何 PFC 拓?fù)漕愃?，多級圖騰柱設(shè)計的可靠性取決于電源開關(guān)的使用壽命，尤其是 150V MOSFET。因此，將這些設(shè)備保持在其電氣和熱安全工作區(qū)域內(nèi)是長壽命和可靠應(yīng)用所必需的。本文的下一部分將討論如何在真實(shí)世界設(shè)計中滿足這些要求。

電壓平衡是關(guān)鍵

圖 1(a) 中所示的電容器 C 2和 C bulk定義了開關(guān)單元中每對串聯(lián) MOSFET 的工作電壓。然而，每個 MOSFET 的工作電壓可能無法很好地定義，具體取決于其開關(guān)特性以及驅(qū)動方式 [2]。如圖 1(a) 所示，通過向開關(guān)單元添加兩個飛跨電容器 C 1和 C 3可以完全解決這種敏感性問題。通過控制三個飛跨電容器 C 1、 C 2、 C 3和輸出電容器 C bulk兩端的電壓，可以將所有開關(guān)器件的工作電壓水平保持在其規(guī)格范圍內(nèi)。

圖 2.

飛跨電容電壓監(jiān)測和控制。圖片由

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PFC 輸出電壓 V Cbulk由數(shù)字 PFC 控制器測量和調(diào)節(jié)。相移調(diào)制自然迫使C 2的電壓穩(wěn)定在輸出電壓V Cbulk的一半。盡管自然平衡足以解決大多數(shù)器件和制造公差，但應(yīng)積極監(jiān)測和控制飛跨電容器電壓 V C2以獲得更好的保護(hù)。ICERGi PFC 控制器 IC70101 中集成了這種控制功能，如圖 2 所示。C 2兩端的電壓首先由差分放大器緩沖，然后將其輸出饋送到 PFC 控制器 IC70101 以進(jìn)行 ADC 測量和軟件保護(hù)。帶有快速比較器的附加模擬電路可用于為開關(guān)元件提供額外的過壓保護(hù)層。

串聯(lián)連接的 MOSFET 需要精確的驅(qū)動延遲匹配，以最大限度地減少關(guān)斷轉(zhuǎn)換期間C 1和 C 3吸收的能量。將微型隔離驅(qū)動變壓器與 ICERGi 柵極驅(qū)動器 IC70001 結(jié)合使用可以滿足此類要求。由于C 1和C 3在操作期間不必處理任何重要的功率，因此它們的值可以很小，例如大約47nF。因此，它們的電壓可以通過使用 4 個 TVS 器件 T 5、T 6、T 7和 T 8得到有效控制。為了最小化功率損耗，鉗位電平選擇在 115V 以上，并且僅在 V C1時觸發(fā) TVS 設(shè)備之一和 V C3分別偏離 V Cbulk /4 和 3*V Cbulk /4 的平衡點(diǎn)。

啟動：V線= 230V ac，空載。圖片由

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穩(wěn)態(tài)運(yùn)行：V線= 230V ac，P負(fù)載= 3kW。圖片由

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2kV L-to-N 差分浪涌，V線= 230V ac，P負(fù)載= 2kW。圖片由

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圖 3.

啟動、穩(wěn)態(tài)和線路電壓浪涌條件下的飛跨電容和輸出電壓。（VC1 = 藍(lán)色，VC2 = 紅色，VC3 = 綠色，VCbulk = 橙色）。圖片由

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應(yīng)該注意的是，電容器電壓 V C2在所有工作條件下都得到了很好的控制，而輸出電壓 V Cbulk在上電和線路電壓浪涌期間可能會經(jīng)歷快速瞬變。因此，圖 1(a) 所示的兩個附加 TVS 器件 T 1和 T 2包含在外部單元中，以提供足夠的電壓鉗位，防止 MOSFET 進(jìn)入雪崩模式。

圖 4.

多級圖騰柱 PFC 開關(guān)單元的推薦 PCB 布局。圖片由

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圖 3 展示了 V C1、 V C2、 V C3和 V Cbulk在不同工作條件下的行為。顯然，電壓平衡不僅在穩(wěn)定狀態(tài)下而且在瞬態(tài)響應(yīng)期間都能很好地保持。外部電池的最壞情況發(fā)生在差模浪涌期間，如圖 3(c) 所示。轉(zhuǎn)換器快速增加 V C3以響應(yīng) V Cbulk的快速變化，從而將外部單元 MOSFET 的工作電壓保持在 150V 限制范圍內(nèi)。

注意循環(huán)

除了工作電壓之外，還需要控制 MOSFET 關(guān)斷轉(zhuǎn)換期間的過沖以滿足設(shè)計要求。關(guān)斷過沖通常是寄生電感和反向恢復(fù)電流的函數(shù)。大多數(shù)商用 150V MOSFET 已經(jīng)具有出色的反向恢復(fù)特性，適用于硬開關(guān)應(yīng)用；因此，通過 PCB 布局優(yōu)化最小化寄生電感是必要的步驟。建議使用 SMD 元件和低 ESR 陶瓷電容器來減小環(huán)路尺寸。圖 4 舉例說明了一個 PCB 設(shè)計，其中排列了 8 個 SO8 MOSFET 和 SMD 飛跨電容器，以最大限度地減少由 (Q 4、Q 5、C 1 )、(Q 6、Q 3、C形成的 4 個回路1 , Q 2 ), (Q 7 , Q 2 , C 2 , C 3 ), 和 (Q 8 , Q 1 , C 3 , C bulk , R cs )。為了便于演示，與 C 2并聯(lián)的兩個薄膜型 PTH 電容器未包含在圖 4 中。

由于低環(huán)路電感和出色的反向恢復(fù)性能，MOSFET Q 1、Q 2、Q 7和 Q 8的開關(guān)波形呈現(xiàn)出干凈的過渡和最小的過沖。即使在圖 5 所示的最大負(fù)載條件下，過沖也小于 10V，并且外部電池中的所有開關(guān)元件都小于 120V。這表明 30V 或 20% 的工作裕度是硬開關(guān)應(yīng)用非常理想的。

類似地，其他 4 個 MOSFET Q 3、Q 4、Q 5和 Q 6的漏源電壓也經(jīng)歷了最小的過沖和振鈴，導(dǎo)致最大電壓應(yīng)力小于 120V。由于篇幅所限，本文不包括內(nèi)細(xì)胞的實(shí)驗數(shù)據(jù)，但可根據(jù)要求提供。

(a) 問1。圖片由

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(b) Q 2。圖片由

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(c) 問題7。圖片由

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(d) 問題8。圖片由

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圖 5.

外部電池中開關(guān)器件的漏源電壓。測試條件為 115Vac 和 1.5kW。實(shí)驗數(shù)據(jù)由浮動示波器和 300MHz 單端探頭采集。禁用 20MHz 帶寬限制功能。圖片由

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保持冷靜保持可靠

除了電氣應(yīng)力之外，高工作溫度通常會極大地影響開關(guān)元件的使用壽命，尤其是 150V MOSFET?？煽康脑O(shè)計應(yīng)該能夠在向負(fù)載提供最大功率的同時限制組件溫度。如果轉(zhuǎn)換器效率低且散熱器尺寸受限，則該目標(biāo)不容易實(shí)現(xiàn)。

由于更高效的功率轉(zhuǎn)換和更大的損耗分布，多級圖騰柱 PFC 在熱方面比 2 級解決方案更具優(yōu)勢。尤其是如圖 6 所示的 3kW 多級圖騰柱 PFC 原型，在 230Vac 30% 至 50% 負(fù)載下可實(shí)現(xiàn) > 99.2% 的效率，在 100% 負(fù)載下總損耗 < 38W。開關(guān)支路中的總損耗約為 20W，平均分布在 8 個 MOSFET 之間。因此，每個 MOSFET 在滿載時必須消耗大約 2.5W 的功率，這可以通過底部冷卻結(jié)合熱通孔和熱界面材料來實(shí)現(xiàn)。

圖 6.

3kW 多級圖騰 PFC 原型和效率數(shù)據(jù)。圖片由

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圖 7 顯示了內(nèi)部單元中 4 個 MOSFET 的熱圖像。剩余的外部單元 MOSFET 被控制卡覆蓋，在圖像中看不到。熱數(shù)據(jù)表明，在滿載和最小氣流條件下，4 個開關(guān)的最高絕對溫度遠(yuǎn)低于 50 攝氏度。高于環(huán)境溫度的溫升為30攝氏度。這與效率數(shù)據(jù)和每個 MOSFET 的功率損耗估計密切相關(guān)。需要強(qiáng)調(diào)的是，讓電源開關(guān)運(yùn)行溫度更低是提高產(chǎn)品可靠性的最有效方法。

圖 7.在 V

線= 230V 和 P負(fù)載= 3kW時捕獲的 Q 3、Q 4、Q 5和 Q 6的溫度。在 20 攝氏度的環(huán)境溫度下運(yùn)行 20 分鐘后進(jìn)行測量?？諝饬髁?< 0.3m3/min。圖片由?

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概括

如果所有開關(guān)器件都被控制在其電氣和熱額定值范圍內(nèi)正常工作，那么使用 150V MOSFET 進(jìn)行 400V 電源轉(zhuǎn)換不會降低設(shè)計的可靠性。如本文所述，多級無橋圖騰柱 PFC 可以設(shè)計為在其安全工作區(qū)域內(nèi)良好運(yùn)行，在極端條件下具有顯著裕度，并且與任何其他拓?fù)湟粯涌煽俊Ｍㄟ^控制飛跨電容器電壓，8 x 150 MOSFET 的電壓應(yīng)力在穩(wěn)定狀態(tài)下保持在 120V 以內(nèi)，在線路電壓浪涌和瞬變時保持在 150V 以內(nèi)。

在熱方面，多級圖騰柱 PFC 提供優(yōu)于 2 級解決方案的優(yōu)勢，因為多級功率轉(zhuǎn)換效率更高（>99.3% 效率），從而降低功率損耗和產(chǎn)生的熱量。此外，多個開關(guān)組件將損耗分散到更多開關(guān)上，從而將通常與 2 電平設(shè)計相關(guān)的熱熱點(diǎn)風(fēng)險降至最低。