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。