經(jīng)典升壓PFC

 

實現(xiàn)功率因數(shù)校正功能的最簡單拓撲是使用簡單的boost轉(zhuǎn)換器拓撲，如圖1所示。這種拓撲結(jié)構(gòu)也被稱為經(jīng)典PFC或經(jīng)典boost PFC。電路由高頻開關(guān)和二極管、電感和交流輸入側(cè)的二極管橋式整流器組成。在直流輸出端，通常使用緩沖帽來穩(wěn)定輸出電壓。實現(xiàn)高功率因數(shù)的最常見的工作模式是連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM），它是通過開關(guān)和二極管之間的電流源換流來實現(xiàn)的。這種拓撲提供了從交流輸入到直流輸出的單向功率流。

 

圖1:boost PFC的工作原理（為了更好地理解原理操作，建議在S1上加一個二極管，但省略了）

 

由于難換相，要求半導(dǎo)體能夠承受連續(xù)換流。因此，一個合理的選擇是使用合格的CoolSiC™ 肖特基二極管650 V Gen5器件，用于位置“D1”，而各種開關(guān)適合作為功率因數(shù)校正級的電源開關(guān)。例如，英飛凌的TRENCHSTOP™ AUTO 5 IGBT提供高速開關(guān)功能，擊穿電壓為650 V。這些igbt可作為單個igbt或帶有集成反并聯(lián)Si或SiC二極管的igbt。如果選擇的器件是單個IGBT，我們建議在集電極和發(fā)射極節(jié)點之間使用一個小的反并聯(lián)PN二極管，以避免IGBT上出現(xiàn)負電壓尖峰。當(dāng)目標(biāo)是在簡單的PFC拓撲中實現(xiàn)最高效率時，我們建議使用MOSFET而不是IGBT。最新的汽車CoolMOS™ 一代，CoolMOS™ CFD7A，完美地配合了SiC二極管作為對應(yīng)物的拓撲結(jié)構(gòu)。這種MOSFET的優(yōu)點是在溝道中具有電阻行為，不受尾流的影響，并且比IGBT具有更低的開關(guān)損耗。所有這些優(yōu)點轉(zhuǎn)化為更低的功率損耗，因此，更高的轉(zhuǎn)換效率。

 

在這種拓撲結(jié)構(gòu)中也可以使用寬帶隙晶體管；但是，這不會帶來顯著的好處，因為SiC和GaN晶體管由于拓撲的自然性能而不能被充分利用。

 

圖2：單相車載充電器功率因數(shù)校正級示例：a）集成SiC二極管的IGBT，b）帶外部保護二極管的單個IGBT，c）CoolMOS™ CFD7A（帶本征體二極管）

 

圖騰柱PFC

 

雙向車載充電器的常見拓撲結(jié)構(gòu)是所謂的圖騰極PFC（圖3）。在此設(shè)置中，所有二極管都被有源功率開關(guān)取代，以實現(xiàn)雙向功率流能力。使用有源開關(guān)代替二極管的另一個優(yōu)點是效率提高。盡管如此，這種修改也增加了復(fù)雜性，因為必須在電路中控制更多的開關(guān)。

 

圖3：圖騰極PFC拓撲

 

圖騰極PFC由快速切換段（“S1”和“S2”）和慢速切換段（“S3”和“S4”）組成。“S1”和“S2”要求半導(dǎo)體能夠承受高頻下兩個有源開關(guān)之間負載電流的硬換相。因此，“S1”和“S2”的最佳選擇是使用TRENCHSTOP™ H5 IGBT或CoolSiC™ MOSFETs。慢開關(guān)段（“S3”和“S4”）中的開關(guān)實現(xiàn)相位校正功能。因此，在交流輸入的過零點（零電壓開關(guān)）期間，它們會隨著交流頻率接通和斷開。

 

圖4:a）IGBT，b）SiC MOSFET，c）IGBT和CoolMOS的圖騰極PFC™ CFD7A（相位整流器）

 

實現(xiàn)圖騰極PFC的一種常見方法是在位置“S1”、“S2”、“S3”和“S4”使用IGBT開關(guān)。英飛凌的高速TRENCHSTOP™  IGBT是車載充電器系統(tǒng)的最佳IGBT選擇。CoolMOS™ CFD7A建議用于慢開關(guān)半橋（“S3”和“S4”），以進一步提高效率。由于交流頻率下的軟開關(guān)特性，將超級連接mosfet設(shè)計成相位整流橋是可能的。用四個CoolSiC實現(xiàn)硬開關(guān)圖騰極PFC是可能的，因為CoolMOS™ MOSFET具有超低的反向恢復(fù)電荷。CoolSiC ™ mosfet的另一個優(yōu)勢是擊穿電壓為1200v，支持更高的直流鏈電壓（高于650v）。

 

移相全橋

 

一種常用的DC-DC拓撲是所謂的移相全橋（圖5），由DC-DC變換器初級側(cè)的全橋、諧振電感器、隔離變壓器和次級側(cè)的整流組成?；谶@種拓撲結(jié)構(gòu)的最先進的車載充電器使用基于硅或碳化硅的mosfet。由于緊湊型DC-DC變換器對開關(guān)頻率的要求很高，IGBT不適合這種拓撲結(jié)構(gòu)。

 

圖5：相移全橋拓撲結(jié)構(gòu)，包括二次側(cè)的二極管

 

這種拓撲的一個顯著優(yōu)點是效率高，因為它可以在較寬的負載范圍內(nèi)進行軟交換。這意味著，儲存在mosfet寄生電容中的能量可以重新循環(huán)，降低功率損耗，減少散熱，提高轉(zhuǎn)換效率。一次側(cè)的附加電感器（Lr）確保了mosfet的軟開關(guān)。然而，由于這種拓撲結(jié)構(gòu)的固有特性，不能在整個輸出范圍內(nèi)實現(xiàn)所有mosfet的全ZVS。通常，不同mosfet的硬開關(guān)發(fā)生在輕負載條件下（當(dāng)諧振能量不足以維持ZVS時）。這種硬開關(guān)現(xiàn)象也是英飛凌推薦具有快速二極管特性的硅mosfet（如CoolMOS™ CFD7A）的原因或像CoolSiC™ MOSFET這樣的寬禁帶系列用于汽車應(yīng)用，確保長期可靠運行。

 

這種拓撲的另一個優(yōu)點是與LLC變換器相比，控制工作量相對較低。功率流的調(diào)節(jié)是通過控制兩個半橋腿之間的相移來實現(xiàn)的，而不需要修改頻率或占空比。此外，PSFB拓撲能夠獲得比LLC變換器更大的轉(zhuǎn)換比。

 

二次側(cè)的任務(wù)是對一次側(cè)傳輸?shù)哪芰窟M行校正。有幾種方法可以實現(xiàn)這一點。一種方法是使用全橋整流（如圖5所示）或中心抽頭變壓器。對于這兩種變體，二極管或有源mosfet是最常見的選擇。

 

雙向移相全橋拓撲

 

圖6：雙向使用的移相全橋拓撲

 

如果DC-DC的二次側(cè)采用有源開關(guān)，并且采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，則移相全橋拓撲也可以用于雙向車載充電器。圖6說明了雙向PSFB的概念。如圖所示，不需要進一步修改硬件組件來支持雙向功率流。

 

LLC拓撲

 

LLC拓撲是達到最高轉(zhuǎn)換效率的理想選擇。與PSFB相比，LLC拓撲允許實現(xiàn)更高的效率，從而在運行期間降低損耗，并實現(xiàn)更高的功率密度轉(zhuǎn)換器。車載充電器中使用的大多數(shù)LLC轉(zhuǎn)換器都是全橋LLC轉(zhuǎn)換器。一次側(cè)的全橋配置有助于減少通過功率開關(guān)的電流，因為變壓器的一次側(cè)繞組驅(qū)動的電壓是半橋LLC轉(zhuǎn)換器的兩倍。由于電壓加倍，在給定的變壓器尺寸下，可以傳輸雙倍的功率。盡管如此，這一原則適用于所有半橋/全橋變換器，而不是LLC變換器的獨特性，但由于將半橋LLC變換器用于低功率應(yīng)用更為常見，因此我們在這里重點討論這一點。

 

設(shè)計良好的LLC拓撲結(jié)構(gòu)的另一個優(yōu)點是可以在滿負荷范圍內(nèi)實現(xiàn)零電壓開關(guān)。然而，mosfet的硬開關(guān)很容易在啟動時發(fā)生，并且僅在某些關(guān)鍵條件下（即“電容模式”操作）。

 

除了優(yōu)點之外，LLC拓撲還有一個缺點：功率流是通過可變頻率而不是通過脈寬調(diào)制控制信號的可變占空比來控制的。由于所需的頻率范圍，電磁干擾濾波器的設(shè)計可能變得更具挑戰(zhàn)性。此外，由于很難規(guī)定均流，LLC變換器并聯(lián)級的同步變得更加復(fù)雜。圖7顯示了車載充電器中使用的典型全橋LLC轉(zhuǎn)換器，其中轉(zhuǎn)換器的二次側(cè)也設(shè)計為全橋。

 

圖7：單向運行的全橋LLC變換器（二次側(cè)帶有源同步整流）

 

結(jié)論

 

電動汽車的吸引力取決于電池。半導(dǎo)體技術(shù)的進步需要實現(xiàn)更高的效率和最高的性能，使電動汽車成為傳統(tǒng)交通工具的便捷和環(huán)保的替代品。為了滿足現(xiàn)代非車載充電器設(shè)計的要求，各種拓撲結(jié)構(gòu)和技術(shù)在今天是可用的。所以，我們的任務(wù)是使它們完美匹配。

 

 

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