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图腾柱无桥 PFC 与 SiC 相结合,共同提高电源密度和效率
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效率和尺寸是电源设计的两个主要考虑因素,而功率因数校正 (PFC)也在变得越来越重要。为了减少无功功率引起的电力线谐波含量和损耗,尽可能降低电源运行时对交流电源基础设施的影响,需要使用 PFC。但要设计出小尺寸、高效率电源(包括 PFC)仍极具挑战性。本文介绍了如何通过修改传统 PFC 拓扑结构来更好地实现这一目标。

 

使用整流器和升压二极管的 PFC

 

电源的输入级通常使用桥式整流器后接单相 PFC 级,由四个整流器二极管和一个升压二极管组成。

 

 

图 1:桥式整流器后接单相 PFC 级

 

图腾柱无桥拓扑结构

 

还有一种提高电源效率的方法,就是使用图腾柱无桥拓扑结构来移除桥式整流器,并用快速开关 MOSFET 代替升压二极管。要理解如何做到这一点,最好先将这种拓扑结构视为两个独立的升压电路的功能组合,每个电路用于输入正弦波形的一个半周期。

 

电感、电容、MOSFET S1 和二极管 (S2) 在正半周期内用作正升压电路。此外,还包括一个旁路二极管,目的是防止电感在启动时或在异常工作条件下饱和;还有一个保护二极管 (SR1),以防止在负半周期内工作。

 

 

图 2:正升压电路

 

在负半周期内,电感、电容、MOSFET S2 和二极管 (S1) 构成了标准升压电路的反相版本,并在导通状态路径中额外配备了一个保护二极管 SR2。

 

 

图 3:负升压电路

 

在图腾柱无桥 PFC 拓扑结构中,两个二极管(SR1 和 SR2)可以用 MOSFET 代替,以实现更高的效率。这是因为这些二极管在图腾柱工作期间导通,但切换频率只有 50/60 Hz。旁路二极管仅在启动时导通,因此使用 MOSFET 代替它们没有任何好处。

 

 

图 4:采用二极管的图腾柱无桥 PFC 电路

 

改进后的图腾柱

 

改进后的图腾柱无桥 PFC 拓扑结构将快速 SiC MOSFET和慢速超结 MOSFET 相结合。在正半周波期间,SR1 在整个周期内导通,并为异步升压电路提供接地路径。S1 充当升压开关,而 S2 在异步升压中执行二极管功能。同样,在负半周期内,SR2 提供接地路径,S2 作为升压开关,S1 则用作异步升压二极管。SR1 和 SR2 可以是低速超结 MOSFET(因为它们只需要在低频下开关)。为防止出现潜在的 EMI 问题,需要通过额外电容来避免过快发生过零转换。但是,如果电容值太大,总谐波失真 (THD) 性能将会变差。对于高功率密度,S1 和 S2 可以是 SiC 器件。

 

 

图 5:改进后具有 SiC 和超结 MOSFET 的图腾柱无桥 PFC 电路

 

实现高功率密度的高效电源

 

安森美 (onsemi) 通过带有EliteSiC 开关的高频 PFC 前端、先进的图腾柱无桥 PFC 控制器和运行频率高达 150 kHz 的高频 LLC 级,在输出级上使用高速同步整流设计出一个功率密度超过40 W/in3、满载效率为 98.4% 的单相交流输入 3 kW PFC 电源。

 
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