高功率(3千瓦及以上)AC-DC转换器的效率，特别是具备功率因数校正(PFC)的转换器，是影响设计多个方面的关键因素，包括热耗散、整体物理尺寸和冷却类型。经济因素对客户的影响也在设计发展中扮演角色。基于数字控制架构的技术解决方案，以及IXYS提供的高功率离散组件，有助于提高高功率AC-DC转换器的效率。

　　概述

　　IXYS数字电源控制技术通过充分利用新型半导体组件在增加负载电流和电压下的快速开关能力，扩展了高效AC-DC转换器的发展。此设计还集成了数字涌流控制技术和高功率双相数字功率因数校正。功能控制基于Zilog的8位Z8F6481 MCU。

　　该设计集成了输出功率超过3千瓦的AC-DC转换器、主动PFC和双相交错转换，旨在通过以下改进确认在高功率下实现高转换效率的可能性：

　　高功率下的准谐振模式

　　峰值电流调制概念

　　具有快速反向恢复时间的基于MOSFET的电流开关

　　具有快速正向恢复能力的快速升压整流器

　　新型低损耗高频30A电感，用于存储并高效地将能量泵入输出大容量电容器和负载

　　利用准谐振模式最小化在高功率模式下重新充电MOSFET输出电容以及任何杂散电容的功率损耗。双相交错架构与电流调制和12位分辨率乘法DAC与快速比较器相结合，作为高分辨率幅度鉴别器，生成精确模仿参考波形的电流波形。因此，功率因数高，失真低，从而有助于转换器的效率。

　　通过使用具有负供电电压的IXYS高速高电流门驱动器将门电压移入负区域，减少了电流开关的关闭时间。

　　IXYS X级MOSFET的体二极管，一种基于硅的超结(SJ)器件，被用作升压二极管。X级或X2级SJ MOSFET的体二极管提供了极好的正向恢复性能，这大大减少了正向恢复电压(高达三倍)，并增加了转换器的效率。电感由MPS Industries设计和制造，用于在高电流和高开关频率下实现高效率。

　　基于MCU的数字控制还优化了转换器的整体性能，包括限制涌流、可编程故障保护方案以及在负载和输入电压范围内优化转换器的性能。

　　特点

　　高效MCU控制的大功率PFC与双相电流调制设计提供了以下特点：

　　转换功率，最大3千瓦@240V电源线

　　输入电压240V±10% AC 50/60 Hz

　　输出电压450V – 650V，可编程

　　输出电流6.7A @ 450V

　　输出电压纹波<5%满载

　　输入电流纹波<8%

　　负载变化范围>8倍

　　设备转换频率80 – 100 kHz高功率

　　可编程过载、过电压和欠电压保护

　　数字涌流控制

　　软启动

　　电源良好状态

　　潜在应用

　　此设计为开发各种AC-DC转换器电源管理应用提供了基础，包括使用IXYS电源设备和MCU的以下应用：

　　空调系统

　　电动汽车充电

　　电池充电

　　高功率LED照明

　　操作原理

　　高效MCU控制的大功率PFC与双相电流调制的设计方法和示意图在参考部分[1]中描述。

　　准谐振模式适应变化的峰值电流值，并由MCU控制。SJ MOSFET开关在每个峰值电流时刻关闭。电感器(和MOSFET的漏极)电压开始以谐振方式下降。当电感器电压等于输入正弦波电压时，比较器向MCU生成一个脉冲。由于谐振参数在特定设计中不太可能发生显著变化，因此在零电感器电流时打开开关所需的延迟时间是可预测的。这些值存储在MCU的Flash内存中，并在计时器中加载，以在接收到上述比较器脉冲时生成下一个开启脉冲。这使得MOSFET开关每次都在零或接近零的电感器电流时打开。

图1

图2

　　除非负载功率降至峰值功率的50%以下，否则转换器在高功率下以准谐振模式运行。如果输出功率降至峰值功率的50%以下，转换器将停用从转换阶段，并在有源缓冲器的情况下以不连续导通模式运行，以倾倒谐振振荡。输出电压主要通过延迟时间的脉冲密度调制来控制。输出电压的微调仍然通过在有限的动态范围内调制峰值电流参考幅度来实现。

　　电流开关的关闭时间是功率损耗的重要组成部分，应尽可能短。为了减少关闭时间，使用了具有与IXFH50N85X SJ MOSFET门绑定极限相等的电流能力的门驱动器。此外，通过使用负供电电压为门驱动器供电，将关闭状态下的门电压移入负区域。这种方法在缩短关闭时间方面非常有效，如图1和图2所示。图1描绘了具有等于5欧姆的门电阻和接地水平较低电压的传统门驱动方法。图2描绘了升压阶段的波形，门驱动器额定电流为30A，公共节点移至负15V，这导致整体开关时间几乎减少了两倍。

　　作为比较，在同一应用中使用了碳化硅器件IXFN50N120SK。由于门规格，门驱动器的公共节点被移至负5V。SJ IXFH50N85X的门充电时间为25 ns，即比Si MOSFET的31 ns短，但整体关闭时间在同一范围内(参见图3)。因此，X级MOSFET可用于设计提供与使用SIC MOSFET相似的开关特性的电路。

图3

　　快速关闭开关在MOSFET漏极上产生过冲，这取决于升压整流器二极管的正向恢复时间。在具有DHG40C1200HB二极管的应用中，过冲超过输出PFC电压200V，如图1所示。该二极管快速且非常适合在连续导通模式下的硬开关中进行反向恢复。对于临界导通模式，硬开关是单侧的，需要快速正向恢复以减少过冲。确定Si MOSFET的体二极管是在需要快速正向恢复时间的情况下使用的最佳选择。使用作为开关的相同SJ IXFH50N85X作为二极管，将过冲降低到100V(参见图2)。在开关时刻的30A峰值电流下，使用MOSFET的体二极管将升压二极管的功率损耗降低了两倍，与DHG40C1200HB相比，从而大大提高了PFC转换器的效率。

　　在高开关电流和频率下，电感器与其他组件一样重要。在峰值电流下电感器的饱和会导致设备效率的损失，因为减少电感会增加电感器的电流，但不会导致存储能量的增加。

　　MPS Industries为高功率开发了一种高频电感器，具有适用于PFC应用的出色磁特性(参见图4)。使用此电感器可以在广泛的负载范围内提供稳定的效率，直至峰值负载功率。

图3

　　峰值电流调制允许电源线电流复制AC线输入电压的形式，该电压用作参考。在此设计中，DAC用于为峰值电流调制提供参考电压。整流和缩放的输入正弦波被应用于模拟DAC输入，而数字DAC输入用于根据预测和反馈控制控制DAC输出的幅度。图5显示了电流调制的示意图。

图5

　　硬件实现

　　IXYS的MCU控制PFC，包括MCU模块、主电源板和辅助板，如图6所示。MCU和辅助模块作为由辅助电源供电的附加设备实现。MCU模块包含用于MCU编程的连接器。在为整个系统供电之前，应先对MCU进行编程。

图6

　　主电源板是一个四层表面贴装板，提供易于访问的测试点。在3000W输出功率下，MOSFET上的功率耗散小于54W。该板可以从50 Hz或60 Hz 220/240V AC源供电。辅助电源为MCU提供±3.3V，为主电源板上的门驱动器提供±12V。

　　MCU控制PFC的效率

　　参考设计示意图的效率是通过排除二极管整流器和AC滤波器来确定的。在3000W负载功率下，功率损耗为54W，对应于98.2%的效率率。额外的功率损耗归因于二极管桥和AC线路滤波器电感器。

　　总结

　　这种MCU控制的PFC是基于Zilog的F6481系列MCU的数字电源控制设计的延续，提供了在实施独特控制算法方面的充足灵活性，有助于创建高效的电源系统。3千瓦PFC转换器的主要关注点是通过设计方法和IXYS的新功率MOSFET设备来提高效率。X级SJ MOSFET的快速开关能力和SJ MOSFET体二极管的快速正向恢复时间是帮助实现提高PFC和其他使用数字电源控制的功率转换器效率目标的关键组件。

浮思特科技专注功率器件领域，为客户提供IGBT、IPM模块等功率器件以及MCU和触控芯片，是一家拥有核心技术的电子元器件供应商和解决方案商。