采用SiC MOSFET的3kW图腾柱无桥PFC和次级端稳压LLC电源 (sic mosfet驱动设计)

{本文由家电维修技术小编收集整理资料}节能标准和客户需求正在推动更高效率和更小尺寸的电源解决方案，对标准ACDC电源进行功率因数校正(PFC)的要求日益普遍，通过减少谐波含量引起的电力线损耗，从而降低对交流电网基础设施的压力。而设计紧凑高效的PFC电源是一个复杂的开发挑战。节能标准和客户需求正在推动更高效率和更小尺寸的电源解决方案，对标准ACDC电源进行功率因数校正(PFC)的要求日益普遍，通过减少谐波含量引起的电力线损耗，从而降低对交流电网基础设施的压力。而设计紧凑高效的PFC电源是一个复杂的开发挑战。本文将讨论3kWPFC单相交流输入电源的设计，该电源具有超过W/in3的功率密度，满载效率为.4%。表1总结了其关键性能特征，图1显示了该电源的框图。借助采用SiC器件的高频PFC快桥、先进的图腾柱无桥PFC*，以及工作频率高达kHz的高频LLC级，在输出级上通过高效率全桥同步整流，实现高功率密度。

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图1.采用SiCMOSFET的3kW图腾柱PFC和次级端稳压LLC电源3kW电源综述——PFC级图1的左侧显示了图腾柱无桥PFC级。在W超高密度电源的*中，已对图腾柱PFC概念进行了详细说明，但为了方便起见，本文稍后将会再次介绍。该图腾柱PFC*为NCP，其可以在连续导通模式(CCM)和临界导通模式(CrM)下运行。3kW的高功率输出需要使用CCM模式，以确保有效利用电感，若使用DCM会导致需要一个大电感且电流峰值大幅增加。电流互感器CT1和CT2用于准确检测电流。图腾柱无桥PFC使用一个快速桥臂和一个慢速桥臂。慢速桥臂使用安森美FCHNS3L4超结MOSFET，由FAN隔离结半桥栅极驱动器驱动。快速桥臂使用安森美MVSiCMOSFET(NTHLNSC1)，由更快速的NCP隔离结半桥栅极驱动器驱动。启动时，采用由FSLAC-DC稳压器驱动的辅助电源，为初级端和次级端提供电源。PFC开始启动直到电压达到稳定值，在图腾柱PFC*NCP引脚上置位PFCOK信号，通过光耦合器为次级端*上电。图腾柱PFC*NCP具有以下功能：图腾柱PFC*必须从在正交流相位期间使用低压侧MOSFET开关作为升压开关，改变为在负交流相位期间使用高压侧MOSFET开关作为升压开关图腾柱PFC*可以开关高压侧MOSFET以在正交流相位期间打开Boost升压电路同步整流，并开关低压侧MOSFET以在正交流相位期间打开同步整流，从而提高效率。在轻负载时，开关MOSFET的额外损耗超过低导通损耗带来的好处，因此同步整流被停用。图腾柱PFC*可以开关低速器件，通过设置图腾柱电路的极性可提高效率。图腾柱无桥PFC*NCP能自动处理其他有关较佳死区时间和过零性能等复杂问题，详情请参见NCP数据表[1]。图1显示NCP有六个输入端。两个连接（AC+和AC-）用于确定交流线路的相位，一个连接用于测量PFC控制所需的总线电压。通过CS引脚和ZCD引脚执行PFC中的电流监控。该ZCD电流测量有助于确定临界导通模式下（频率箝位）t2周期何时结束，也可用于过流保护。漏极电压振铃监控位于AUX引脚上，用于确定漏极电压振铃中的最小值，从而在频率箝位临界导通模式下实现效率优化。除控制功能外，这些引脚上检测到的电压电平和波形还用于保护和其他控制目的。例如，低压/高压和掉电保护使用AC+和AC-引脚上测得的电压；欠压、软过压、快速过压保护和动态响应使用FB输入端测得的电压。VCC连接来自DC-DC转换器级。一旦LLC*高压启动电路提供的能量足以启动PFC，它就会开始工作。成功启动后，LLC变压器辅助绕组和调节器为两个*供电。图腾柱*附近的电路板上有一个热敏电阻，可在*中集成的过热保护功能之外，提供额外的过热保护。此设计使用图腾柱PFC*的跳过(SKIP)或待机模式。极性指示信号显示器件检测到的是交流正半周期还是负半周期。馈入LLC信号的PFCOK信号指示大电解电容上的正确电压范围。3kW电源综述——LLC级图2显示用于3kW高密度电源中的LLC级。S1和S2构成一个半桥。谐振桥由三个元件构成：电感Lr、电容Cr以及一个变压器，其匝数比为n，大磁化电感为Lm。输出变压器连接到全桥配置中的四个MOSFET、输出电容和负载。

图2.具有中心*半桥输出级的半桥LLC谐振转换器此拓扑结构在正确运行时支持S1和S2的零电压开关。图9显示了S1(QUP)两端的电压和流经S1(QUP)电流的*波形。当漏极电流为负时，S1(QUP)导通，因此反向时会有传导电流（当器件导通硅MOSFET或SiCMOSFET时，体二极管将导通）。与大约V的VBUS电压相比，电压转换中只有几伏电压，这显著降低开关损耗。

图3.LLC波形LLC转换器的增益频率环路在W超高密度电源*[2]中有更详细的描述。NCP*[3]控制应用中显示的六个MOSFET。初级端MOSFET由电隔离双半桥驱动器NCP直接驱动。隔离结半桥驱动器NCP驱动次级端MOSFET，其隔离电压额定值低于初级端PFC器件，但工作开关频率更高。我们注意到，设计中使用了四种不同的半桥驱动器，旨在满足特定的驱动要求：低速隔离驱动V；高速隔离V；高速电隔离驱动5kV；极高速隔离结驱动V。NCP是一款高效电流模式*。在开关周期内进行电流检测并整合（详情请参阅[3]），因此严格来说，它是一个充电模式*，更容易控制LLC的动态响应。它还显著改善了负载调节性能——该控制可以补偿负载突变，无需等待电压变化和通过谐振电路做出频率响应。3kW电源性能总结有关电源性能的更多详细信息，请参阅我们的电源研讨会演示文稿[4]。整体设计符合最小外形尺寸，并在宽功率范围内具有出色的能效。

图4.3kW电源性能总结功率因数校正——连续导通模式(CCM)/多模式(CrM-CCM)本小节重述了W超高密度电源*中的内容，详述以SiC解决方案取代GaN解决方案。

图5.桥式整流器后接单相PFC级图5所示电路包括4个桥式整流二极管和1个升压二极管。本文介绍的W电源具有高效率的三个原因之一是采用了图腾柱拓扑，该结构去除了桥式整流器，并使用快速开关MOSFET取代升压二极管。图腾柱拓扑去除了整流器，具体说明如下——考虑下面图6a中的电路。电感、电容、MOSFETS1和标记为S2的二极管构成了一个标准升压电路，将以正弦正*工作。旁路二极管可防止在启动或特定异常情况下发生电感饱和。标记为SR1的附加二极管可在输入电压处于负相时保护电路并阻止运行——这就是标准升压电路的附加部分。图6b中的电路显示了正弦负*所需的升压电路。电感、电容、MOSFETS2和标记为S1的二极管构成标准升压电路的反相版本，并在升压电路导通状态路径中额外配备了一个二极管SR2。

图6.正相和负相升压电路图7显示了图6中的电路与图腾柱无桥PFC电路标准图的组合。电路中有两个二极管（SR1和SR2），可以用MOSFET代替，以获得更高的效率。这些二极管在图腾柱工作期间导通，但仅在/Hz时用作开关。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7.采用二极管的图腾柱PFC电路图8显示了采用高速SiCMOSFET和低速超级结MOSFET的图腾柱PFC拓扑。在正*期间，SR1在整个周期内导通，并为图5a所示的同步升压电路提供接地路径。S1在异步升压中充当升压开关，S2在异步升压中充当二极管。同样，在负*期间，SR2在整个周期内导通，并为图5b所示的电路提供接地路径。在异步升压中，S2充当升压开关，S1则充当二极管。

图8.采用SiC和SJMOSFET的图腾柱PFC电路元件SR1和SR2在低频下开关工作；因此它们可以是低速器件。电源使用超级结MOSFET实现此功能，并需要附加电容。如果不加电容，过零转换太快，会导致潜在的EMI问题。如果电容太大，则THD性能会变差。NCP*具有特殊的过零序列脉冲，可优化过零性能。元件S1和S2使用SiCMOSFET实现，使用SiC是3kW电源实现高功率密度的关键因素。参考文献[1]NCP：图腾柱连续导通模式(CCM)/多模式(CrM-CCM)功率因数校正*，数据手册*onsemi*[2]*：WGaNHEMT图腾柱PFC和LLC超高密度电源，年月*onsemi*[3]NCP：具有同步整流器控制的谐振*，增强型轻负载，数据手册*onsemi*[4]*：采用SiCMOSFET的3kW图腾柱PFC和次级侧稳压LLC电源，年月*onsemi*