利用开关器件提高PFC效率的实现

为了满足能源之星(ENERGY STAR)等规范的要求以及消费者降低碳排放的愿望，功率电子产品设计团队正在不断努力提高系统效率，以求尽量接近额定100%效率的终极目标。此外，目前调节器实际上需要在电源第一级采用功率因数校正(Power Factor Correction,PFC)，以尽量提高功率因数(PF)，减少电力线的损耗。功率因数的大小与电路的负荷性质有关， 如白炽灯泡、电阻炉等电阻负荷的功率因数为1,一般具有电感性负载的电路功率因数都小于1.功率因数是电力系统的一个重要的技术数据。功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大， 从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。所以，供电部门对用电单位的功率因数有一定的标准要求。

方法之一就是运用被动PFC的低成本解决方案，但是这一方案需要一个笨重的大体积LC滤波器。主动PFC广泛用于减少系统滤波器电感线圈的尺寸与重量。因此，增加效率与功率密度是主动PFC方案的关键设计因素。对于大功率交-直流变换器来说，连续传导模式(CCM)升压型主动PFC拓扑结构更受欢迎。与非连续传导模式(DCM)和临界传导模式CRM)不同的是，CCM PFC产生的波纹电流更小，可简化EMI滤波器设计以及保持小负荷下的稳定性。因此CCM PFC不仅广泛用于服务器与远程通信的电源供给，而且可用于平面显示器的电源供给。

按照功率变换器PFC改善功率密度的设计趋势，设计人员必须减少系统损耗与整个系统的尺寸、重量，或者增加开关频率，集成有源元件。

一种新型的MOSFET/二极管组合可以实现较高的功效，减少开关损耗。并且通过降低MOSFET的导通电阻，提高其开关速度完成CCM PFC控制器的设计。上述性能的改善，都离不开一种具有低反向恢复电荷(QRR)的SiC肖特基二极管。下面在一个400W CCM PFC应用当中，将其与常用的硅Si二极管/平面型MOSFET的组合方式进行比较，可看出本文所述MOSFET/二极管组合的优点。

与DCM升压电感的恒流相比，CCM下的PFC具备更多优势。通过EMI滤波的电流要比DCM或CRM中小得多，因此这些优势在大功率设计中更为明显。在一般情况下，MOSFET的功率损耗通常由它的开关损耗决定，事实上开关损耗是由分立升压二极管的反向回缩特性所引起的，而上述这个根源取决于工作电流与二极管温度。这些因素导致了二极管与MOSFET功率损耗的增加，进而影响到变流器的性能。

图1与图2所示为CCM PFC的工作情况，包括电流和电压波形，可看出低QRR对PFC二极管的重要性。一开始，二极管D1引入输入电流，同时还有二极管中的少量积累电荷。在开关导通的过程中，MOSFET M1导通，二极管D1关断。巨大的导通电流流过MOSFET,除了经整流的输入电流以外还包括D1的反向恢复电流与放电电流。一般情况下，电流的变化率通过M1的封装电感及其他存在于外部回路的寄生电感进行限制。二极管电流波形的负值区域便是反向恢复电荷QRR,其中时间间隔长度(t0到t2)是反向恢复时间tRR.在t0与t1之间时，二极管保持正向偏置，因此MOSFET电压为VOUT+VF.在t1时间，p-n结附近的积累电荷被耗尽。二极管反向电流持续存在，直至消除所有残留的少量积累电荷。在t2时间，这些电流基本上为零，二极管在反向偏置条件下达到稳态。[1]这些由硅Si二极管反向恢复特性所引起功率损耗，限制了CCM PFC的功效与开关频率。

CCM PFC中最值得关注的是减少MOSFET与升压二极管的传导性与开关损耗。如果您想设计一高性能的、且具有较小尺寸与较高的工作频率的CCM PFC,其MOSFET要求如下：较小的导通电阻以减少传导损耗;低CGD以减少开关损耗;低QG以减少栅极驱动功率;低热阻。同样，升压二极管要求如下：tRR时间短以减少MOSFET导通损耗;低QRR以减少二极管开关损耗;小VF以减少传导损耗;温和的反向回缩特性以减少EMI;低热阻。

MOSFET比较

金属-氧化层-半导体-场效晶体管，简称金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管(field-effect transistor)。MOSFET依照其"通道"的极性不同，可分为n-type与p-type的MOSFET,通常又称为NMOSFET与PMOSFET,其他简称尚包括NMOS FET、PMOS FET、nMOSFET、pMOSFET等。今日半导体元件的材料通常以硅(silicon)为首选，但是也有些半导体公司发展出使用其他半导体材料的制程，当中最着名的例如IBM使用硅与锗(germanium)的混合物所发展的硅锗制程(silicon-germanium process, SiGe process)。而可惜的是很多拥有良好电性的半导体材料，如砷化镓(gallium arsenide, GaAs)，因为无法在表面长出品质够好的氧化层，所以无法用来制造MOSFET元件。

图3所示为Fairchild Semiconductor(飞兆半导体)公司的SuperFET 600-V MOSFET的横截面，它运用了电荷平衡技术(右)，另一个是传统的平面型MOSFET(左)。一开始便引起我们注意的差异是SuperFET元器件内部的加厚p型柱。SuperFET所提供的低导通电阻所起的作用(>90%)在于N-型漂移区。加厚P型柱的作用是限制MOSFET轻掺杂外延区的电场。相比传统的平面MOSFET,n-型外延层的电阻率急剧减少，同时保持击穿电压不变。高压MOSFET的导通电阻降低后，可比传统的

MOSFET的开关特性随着它的寄生电容的改变而改变。例如高压SuperFET有源面积的减小直接导致输入电容的减小，因此减少了栅极电荷。这导致导通延迟时间变短，需要的驱动功率变小。当我们比较SuperFET与平面MOSFET的电容时，VDS一接近10V(对SuperFET来说)CGD的值急速地减小，在导通的开关瞬态，较小的输出电容可减小放电损耗。因为这项技术的目的是使元件能够承受住高速开关瞬态下的电压(dv/dt)与电流(di/dt)，这些元器件能够在较高的频率下可靠地工作，由于折算电阻的影响其品质因数(FOM)只相当于同等级平面器件的三分之一。

使用SuperFET的好处之一是它的低通导电阻减少了功率损耗。这允许设计人员可以不使用昂贵的冷却系统并且减少了散热器的尺寸。它的低栅极电荷同样使得它更容易且更有效地在高频下驱动。这些特性都减少了系统的整体功率损耗。

二极管比较

二极管又称晶体二极管，简称二极管(diode);它只往一个方向传送电流的电子零件。它是一种具有1个零件号接合的2个端子的器件，具有按照外加电压的方向，使电流流动或不流动的性质。晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。二极管的管压降：硅二极管(不发光类型)正向管压降0.7V,锗管正向管压降为0.3V,发光二极管正向管压降为随不同发光颜色而不同。 主要有三种颜色，具体压降参考值如下：红色发光二极管的压降为2.0--2.2V,黄色发光二极管的压降为1.8-2.0V,绿色发光二极管的压降为3.0-3.2V,正常发光时的额定电流约为20mA.二极管的电压与电流不是线性关系，所以在将不同的二极管并联的时候要接相适应的电阻。

硅Si肖特基二极管常作为小于300V的中低压应用，因为在漏电流与正向导通压降保持在容许的等级之内时，它们显示出很低的开关损耗与正的温度系数。然而这类二极管对于高压应用来说并不理想，因为高压应用中漏电流与正向导通压降要高的多。比较起来，SiC肖特基二极管在高压领域更有吸引力。因为碳化硅的击穿电场是硅的10倍。此外SiC的宽带隙容许较高的工作温度[2].另外，在开关状态转换过程中，SiC肖特基二极管没有反向恢复电流，这是因为它没有额外的少数载流子。虽然寄生结电容确实产生了位移电流但可以忽略不计。因此在CCM PFC应用中，由于SiC肖特基二极管优越的反向回缩特性，可不依赖于元器件的温度与正向传导特性，使得SiC肖特基二极管与硅Si二极管相比能够提供更大的功效。[!--empirenews.page--]

图4所示为SiC肖特基二极管和硅二极管的反向恢复特性对比。在这个例子中，Fairchild公司的速复硅二极管按照tRR和VF区分为三种类型，隐形二极管具有快速反向回缩特性，超高速元件拥有最低的VF值。通过25℃时的反向恢复测试，硅二极管中出现了大量的反向恢复电流，而SiC肖特基二极管仅仅在电容中出现由p-n结反向偏压形成的位移电流。SiC肖特基和硅二极管的V-I特性曲线均为温度的涵数。正向电流较低时，温度升高时VF减小。在这个区域内，可观察到肖特基势垒两端的电流呈指数特性。当正向电流增加时，二极管的体电阻决定其正向偏置特性，并且肖特基二极管的VF随温度上升而增大。SiC肖特基二极管的带隙越大，本征载流子浓度和运行结温就越高。就原理而论，硅二极管的最高结温为150℃[8],而SiC肖特基二极管有可能达到600℃。运行温度的增加允许其重量、体积、成本和热量管理系统复杂性的全面减小。

另外，由于SiC肖特基二极管具有正温度系数，因此与硅二极管相比，它们更适于在较高的电压下并联运行。SiC肖特基二极管的低QRR不仅减少二极管的开关损耗，而且能减少MOSFET的导通损耗，使CCM PFC达到很高的能效。就算SiC二极管中的正向电流比硅二极管大，上述情况仍然成立。在MOSFET的导通瞬间，SiC肖特基二极管优越的温度特性可以降低漏电流峰值。并且设计人员可以使用较小的MOSFET来减低成本。

MOSFET/SiC二极管集成模块

SiC,碳化硅又称金钢砂或耐火砂。碳化硅是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生产绿色碳化硅时需要加食盐)等原料在电阻炉内经高温冶炼而成。目前我国工业生产的碳化硅分为黑色碳化硅和绿色碳化硅两种，均为六方晶体，比重为3.20~3.25,显微硬度为2840~3320kg/mm2.碳化硅包括黑碳化硅和绿碳化硅，其中：黑碳化硅是以石英砂，石油焦和优质硅石为主要原料，通过电阻炉高温冶炼而成。其硬度介于刚玉和金刚石之间，机械强度高于刚玉，性脆而锋利。绿碳化硅是以石油焦和优质硅石为主要原料，添加食盐作为添加剂，通过电阻炉高温冶炼而成。其硬度介于刚玉和金刚石之间，机械强度高于刚玉。

使用高压SuperFET和一个SiC肖特基二极管组成的CCM PFC测试电路，具体地说，将Fairchild公司的600-VN沟道SuperFET MOSFET(FCA20N60)和6A SiC肖特基二极管组合，与平面型MOSFET(FQA24N50)和超高速二极管(RURP860)组合进行比较，比较内容为开关损耗与功效。此测试电路的工作频率100kHz,输出电压和电流分别为400V与1A.导通时SuperFET的栅电阻是12Ω，关断时为9.1Ω。

分别测量MOSFET与二极管的电压和电流来估算元件的功率损耗。并且量测输入与输出功率来计算系统的功效。满负荷下，MOSFET信号波形由高电平向低电平跃迁时，输入为110Vac,开关损耗通过VDS与ID的交叉区来测量。SuperFET开关时间大大地降低。平面型MOSFET的关断损耗为159μJ,SuperFET为125μJ(减小34μJ或21%)。

满负荷下，MOSFET信号波形由低电平向高电平跃迁时，输入为110Vac,在二极管与MOSFET中有5.3A的反向恢复电流通过(除电感电流以外)，此电流来自于升压硅二极管。然而SiC肖特基二极管仅仅有1.2A的位移电流，可忽略不计。所以使用硅二极管时MOSFET的开通损耗为73.8μJ,使用SiC肖特基二极管时为28.9μJ(减少44.9μJ或61%)。

在此次测试中，满负荷下二极管信号波形由高电平向低电平跃迁时，输入为110Vac.硅二极管中的反向恢复电流峰值为5.3A,反向恢复电压峰值为500V.在同样情况下，SiC肖特基二极管中的反向恢复电流可忽略不计，反向恢复电压为450V.这两种MOSFET类型的不同动态特性形成不同的MOSFET开通损耗。由于SiC二极管的恢复时间为零，因此SiC肖特基二极管的关断损耗要比硅二极管低大约78%.

图5所示为开关损耗一览，将SuperFET与SiC肖特基二极管组合后，可有效减少开关损耗。与平面型MOSFET相比，SuperFET能够降低21%的关断损耗。与速复二极管相比，SiC二极管能够降低61%的开通损耗。当然，使用SiC肖特基二极管代替速复硅二极管与传统的MOSFET组合，可以使MOSFET的关断损耗降低78%,使其开通损耗降低23%.图6所示为不同器件组合的功效测量结果。从图中不难看出，在整个运行范围中，MOSFET/SiC肖特基二极管的组合对提高功效起到了很重要的作用。甚至在大电流时(满负荷低输入电压)，改善的效果也很明显，在同样的情况下，MOSFET/SiC肖特基二极管组合的功效比传统器件高出4%.对于开关损耗的分析证明，通过减小SiC肖特基二极管的反向恢复电荷来减低MOSFET开通损耗，是提高功效的主要途径。最终结果是增加了CCM PFC下的功率密度。