詳解將CoolMOS應(yīng)用于圖騰柱功率因數(shù)校正電路-KIA MOS管

如何將CoolMOS應(yīng)用于連續(xù)導(dǎo)通模式的圖騰柱功率因數(shù)校正電路？

功率因素校正為將電源的輸入電流塑形為正弦波并與電源電壓同步，最大化地從電源汲取實(shí)際功率。在完美的 PFC 電路中，輸入電壓與電流之間為純電阻關(guān)系，無(wú)任何輸入電流諧波。

目前，升壓拓?fù)涫?PFC 最常見(jiàn)的拓?fù)洹Ｔ谛屎凸β拭芏鹊谋憩F(xiàn)上，必須要走向無(wú)橋型，才能進(jìn)一步減少器件使用，減少功率器件數(shù)量與導(dǎo)通路徑上的損耗。

在其中，圖騰柱功率因素校正電路（totem-pole PFC）已證明為成功的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其控制法亦趨于成熟。

一般而言，超級(jí)結(jié)MOSFET（Super junction MOSFET）在圖騰柱的應(yīng)用，尤其是針對(duì)連續(xù)導(dǎo)通模式，效能將會(huì)大打折扣。原因是在控制能量的高頻橋臂在切換過(guò)程中產(chǎn)生的硬切損耗與寄生二極管的反向恢復(fù)損耗。

為克服此應(yīng)用問(wèn)題，目前在市面上采用的對(duì)策多為采用寬禁帶半導(dǎo)體。為了實(shí)現(xiàn)在圖騰柱PFC使用常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)器件，本文介紹預(yù)充電電路的解決方案。

基本工作原理

首先介紹超級(jí)結(jié)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)切換瞬時(shí)特性。因?yàn)榘雽?dǎo)體設(shè)計(jì)趨勢(shì)仍在降低開(kāi)關(guān)損耗以提升產(chǎn)品功率密度，即降低在開(kāi)關(guān)切換過(guò)程中V-I 交越的損耗，常見(jiàn)半導(dǎo)體廠商的做法為將開(kāi)關(guān)等效輸出電容（Coss）特性設(shè)計(jì)為非線性曲線：

在低壓時(shí)，Coss值較大，隨著電壓提升，在接近于中壓時(shí)電容值急劇降低，如下圖左Coss特性曲線，如此可減少V-I交越的損耗面積。

隨著制程技術(shù)演進(jìn)，Coss變化曲線變壓更為急劇，這在新老代的MOSFET可明顯比較出性能差異。如下圖右為比較新老代MOSFET的Coss特性與開(kāi)關(guān)損耗的差異。

圖1：Coss曲線和開(kāi)關(guān)損耗比較

針對(duì)半橋的應(yīng)用，兩顆特性相同MOSFET 橋接后的出電容特性如下圖2。在半橋應(yīng)用普遍重視零電壓切換，因?yàn)镸OSFET總輸出電容的儲(chǔ)能損耗(Qoss)與反向恢復(fù)特性（Qrr）將大幅增加半橋架構(gòu)在硬切換時(shí)的損耗。

在半橋中如圖所示的等效輸出電容最大值則發(fā)生在任一臂開(kāi)關(guān)為0V的狀態(tài)，隨著任一橋臂電壓提升至20~30V左右，等效輸出容值則急劇降低，此特性將用于接下來(lái)將介紹的補(bǔ)償電路。

圖2：半橋CoolMOS Coss電壓變化曲線

下圖3為預(yù)充電電路的范例。在該拓樸中，二極管模式開(kāi)關(guān)的硬換向發(fā)生于每個(gè)開(kāi)關(guān)切換周期。在有的半橋結(jié)構(gòu)中，考慮在電感中累積的能量，在Q1關(guān)閉之后Q2通常會(huì)工作在軟開(kāi)關(guān)（Soft Switching）狀態(tài)。

然而，當(dāng)Q2關(guān)斷時(shí)，由于電感電流連續(xù)的特性，使得此電流流過(guò)其本體二極管。當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，則會(huì)發(fā)生Q2體二極管電流的硬換向。

圖3：針對(duì)圖騰柱架構(gòu)高頻半橋預(yù)充電動(dòng)作示意圖

通過(guò)加入的預(yù)充電電路，在二極管模式下工作的MOSFET便可以在通道開(kāi)啟前預(yù)充至特定的電壓，例如24V。如此便可大幅的降低 Qoss及Qrr相關(guān)的損耗。因此可以大幅提高CoolMOS在CCM Totem Pole PFC的整體性能。

建議的預(yù)充電解決方案需要為半橋中的每個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件配備額外的器件：高壓肖特基二極管（圖中的D1和D2）和一個(gè)低壓的MOSFET（圖中的Q3和Q4）。

另外還需要兩個(gè)電壓源來(lái)驅(qū)動(dòng)半橋和低壓MOSFET（13V）以及MOSFET漏-源端電壓（24V）。此外，驅(qū)動(dòng)器輸入端包含的Rx-Cx和Ry-Cy濾波器為PWM信號(hào)設(shè)定正確的時(shí)序，不需額外的控制信號(hào)。

圖4：圖騰柱架構(gòu)預(yù)充電電路時(shí)序控制圖

主要波形如圖4所示。在t0之前的狀態(tài)下，電感器通過(guò)Q1充電，一旦Q1關(guān)閉，電感電流就會(huì)流過(guò)Q2，首先通過(guò)其本體二極管，然后在Q2開(kāi)啟后流過(guò)器件通道。因此，在Totem pole PFC中，Q2開(kāi)啟時(shí)工作在零電壓（ZVS）開(kāi)關(guān)。

在t0時(shí)，PWM A 信號(hào)置低，經(jīng)過(guò)一定的延遲時(shí)間后（Ry與Cy的延遲），Q2的柵源極電壓信號(hào)（VGS）也在t1置低。在半橋的死區(qū)（Dead time）時(shí)間內(nèi)（t1到t2），電感電流通過(guò)Q2的體二極管續(xù)流。

在t2之前，Q2的VDS被鉗位到地并且所有自舉電容器（CHS_P除外）都被驅(qū)動(dòng)電壓和24V電壓充電（圖五a與b）。然后在死區(qū)時(shí)間（Dead Time）后，PWM B 置高，通過(guò)Cx、Rx 產(chǎn)生Q4的短暫柵極電壓。

因此，預(yù)充電的Q4會(huì)在t2開(kāi)啟（圖五c），預(yù)充電電流流經(jīng)Q4到D2到Q2的網(wǎng)絡(luò)中，這種預(yù)充電流的的幅度必須高于流經(jīng)Q2體二極管的續(xù)流電流。在預(yù)充電流結(jié)束時(shí)（t3），Q2的漏-源極電壓被預(yù)充電至24V。

如圖4所示，預(yù)充電電流波形有兩個(gè)峰值脈沖：第一個(gè)在t2和t3之間，與Q2的Coss有關(guān)。第二個(gè)在t3和t4之間幅度較小，是由預(yù)充電回路的雜散電感諧振形成。 Q1被延遲到t4 開(kāi)啟，此時(shí)Q2的Coss已經(jīng)被24V所耗盡了。如圖五d所示，當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，用于Q3的自舉電容從Q1的自舉電容充電。

從圖四可以看出，在Q1或Q2開(kāi)啟時(shí)，預(yù)充電的Q4 或Q3都尚未關(guān)閉，如此為保證Q1或Q2開(kāi)啟瞬間的低損耗。如果此脈沖過(guò)短，則Q2在開(kāi)啟瞬間發(fā)生硬換向的可能性很高。如果其在多個(gè)連續(xù)事件期間發(fā)生，則會(huì)產(chǎn)生破壞性的結(jié)果。

當(dāng)PWM B信號(hào)置低時(shí)，與之前類似，Q1會(huì)延遲到t5才關(guān)閉（Ry與Cy的延時(shí)）。在通道關(guān)閉后，Q1的Coss會(huì)充電到400V 而Q2的Coss將放電到0V，從而使Q2產(chǎn)生零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）。

PFC 應(yīng)用中的開(kāi)關(guān)到二極管切換就是這種情況。在這種情況下，高壓側(cè)開(kāi)關(guān)（CHS_DP到Q3到D1）的預(yù)充電電路不會(huì)對(duì)基于MOSFET的半橋電路工作造成任何影響。

當(dāng)負(fù)載或電感電流足夠高時(shí)，會(huì)使Coss充分被充放電，進(jìn)而達(dá)到零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）的目的。但是，如果電感電流不足以對(duì)半橋等效的Coss進(jìn)行充放電時(shí)，則會(huì)發(fā)生硬開(kāi)關(guān)。可以參考圖4中t5后的虛線。

在這種狀況下，施加到Q3的脈沖電壓通過(guò)D1將Q1的Coss充電至24V。一旦Q2導(dǎo)通，其漏源極電壓將再次下降到接近于零，實(shí)現(xiàn)比較平滑的開(kāi)關(guān)到寄生二極管的切換。