經典升壓PFC

 

實現功率因數校正功能的最簡單拓撲是使用簡單的boost轉換器拓撲，如圖1所示。這種拓撲結構也被稱為經典PFC或經典boost PFC。電路由高頻開關和二極管、電(dian)感(gan)和(he)交(jiao)流(liu)輸(shu)入(ru)側(ce)的(de)二(er)極(ji)管(guan)橋(qiao)式(shi)整(zheng)流(liu)器(qi)組(zu)成(cheng)。在(zai)直(zhi)流(liu)輸(shu)出(chu)端(duan)，通(tong)常(chang)使(shi)用(yong)緩(huan)衝(chong)帽(mao)來(lai)穩(wen)定(ding)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)。實(shi)現(xian)高(gao)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)的(de)最(zui)常(chang)見(jian)的(de)工(gong)作(zuo)模(mo)式(shi)是(shi)連(lian)續(xu)導(dao)通(tong)模(mo)式(shi)（CCM）
，它是通過開關和二極管之間的電流源換流來實現的。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）

 

由於難換相，要求半導體能夠承受連續換流。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，用於位置“D1”，而各種開關適合作為功率因數校正級的電源開關。例如，英飛淩的TRENCHSTOP™ AUTO 5 IGBT提供高速開關功能
，擊穿電壓為650 V。這些igbt可作為單個igbt或帶有集成反並聯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射極節點之間使用一個小的反並聯PN二極管，以避免IGBT上出現負電壓尖峰。當目標是在簡單的PFC拓撲中實現最高效率時，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二極管作為對應物的拓撲結構。這種MOSFET的優點是在溝道中具有電阻行為
，不受尾流的影響，並且比IGBT具有更低的開關損耗。所有這些優點轉化為更低的功率損耗，因此，更高的轉換效率。

 

在這種拓撲結構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晶體管由於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構是所謂的圖騰極PFC（圖3）。在(zai)此(ci)設(she)置(zhi)中(zhong)，所(suo)有(you)二(er)極(ji)管(guan)都(dou)被(bei)有(you)源(yuan)功(gong)率(lv)開(kai)關(guan)取(qu)代(dai)
，以(yi)實(shi)現(xian)雙(shuang)向(xiang)功(gong)率(lv)流(liu)能(neng)力(li)。使(shi)用(yong)有(you)源(yuan)開(kai)關(guan)代(dai)替(ti)二(er)極(ji)管(guan)的(de)另(ling)一(yi)個(ge)優(you)點(dian)是(shi)效(xiao)率(lv)提(ti)高(gao)。盡(jin)管(guan)如(ru)此(ci)，這(zhe)種(zhong)修(xiu)改(gai)也(ye)增(zeng)加(jia)了(le)複(fu)雜(za)性(xing)，因(yin)為(wei)必(bi)須(xu)在(zai)電(dian)路(lu)中(zhong)控(kong)製(zhi)更(geng)多(duo)的(de)開(kai)關(guan)。

 

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”要求半導體能夠承受高頻下兩個有源開關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。慢開關段（“S3”和“S4”）中的開關實現相位校正功能。因此
，在交流輸入的過零點（零電壓開關）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。英飛淩的高速TRENCHSTOP™  IGBT是車載充電器係統的最佳IGBT選擇。CoolMOS™ CFD7A建議用於慢開關半橋（“S3”和“S4”），以進一步提高效率。由於交流頻率下的軟開關特性，將超級連接mosfet設計成相位整流橋是可能的。用四個CoolSiC實現硬開關圖騰極PFC是可能的，因為CoolMOS™ MOSFET具有超低的反向恢複電荷。CoolSiC ™ mosfet的另一個優勢是擊穿電壓為1200v，支持更高的直流鏈電壓（高於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變換器初級側的全橋、諧振電感器
、隔離變壓器和次級側的整流組成。基於這種拓撲結構的最先進的車載充電器使用基於矽或碳化矽的mosfet。由於緊湊型DC-DC變換器對開關頻率的要求很高，IGBT不適合這種拓撲結構。

 

圖5：相移全橋拓撲結構
，包括二次側的二極管

 

這種拓撲的一個顯著優點是效率高，因為它可以在較寬的負載範圍內進行軟交換。這意味著，儲存在mosfet寄生電容中的能量可以重新循環，降低功率損耗，減少散熱
，提高轉換效率。一次側的附加電感器（Lr）確保了mosfet的軟開關。然而，由於這種拓撲結構的固有特性，不能在整個輸出範圍內實現所有mosfet的全ZVS。通常
，不同mosfet的硬開關發生在輕負載條件下（當諧振能量不足以維持ZVS時）。這種硬開關現象也是英飛淩推薦具有快速二極管特性的矽mosfet（如CoolMOS™ CFD7A）的原因或像CoolSiC™ MOSFET這樣的寬禁帶係列用於汽車應用，確保長期可靠運行。

 

這種拓撲的另一個優點是與LLC變換器相比，控製工作量相對較低。功率流的調節是通過控製兩個半橋腿之間的相移來實現的，而不需要修改頻率或占空比。此外，PSFB拓撲能夠獲得比LLC變換器更大的轉換比。

 

二次側的任務是對一次側傳輸的能量進行校正。有幾種方法可以實現這一點。一種方法是使用全橋整流（如圖5所示）或中心抽頭變壓器。對於這兩種變體，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的二次側采用有源開關
，並且采用適當的控製策略，則移相全橋拓撲也可以用於雙向車載充電器。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拓撲是達到最高轉換效率的理想選擇。與PSFB相比，LLC拓撲允許實現更高的效率，從而在運行期間降低損耗，並實現更高的功率密度轉換器。車載充電器中使用的大多數LLC轉換器都是全橋LLC轉換器。一次側的全橋配置有助於減少通過功率開關的電流，因為變壓器的一次側繞組驅動的電壓是半橋LLC轉換器的兩倍。由於電壓加倍，在給定的變壓器尺寸下，可以傳輸雙倍的功率。盡管如此，這一原則適用於所有半橋/全橋變換器，而不是LLC變換器的獨特性，但由於將半橋LLC變換器用於低功率應用更為常見，因此我們在這裏重點討論這一點。

 

設計良好的LLC拓撲結構的另一個優點是可以在滿負荷範圍內實現零電壓開關。然而，mosfet的硬開關很容易在啟動時發生


，並且僅在某些關鍵條件下（即“電容模式”操作）。

 

除了優點之外，LLC拓撲還有一個缺點：功(gong)率(lv)流(liu)是(shi)通(tong)過(guo)可(ke)變(bian)頻(pin)率(lv)而(er)不(bu)是(shi)通(tong)過(guo)脈(mai)寬(kuan)調(tiao)製(zhi)控(kong)製(zhi)信(xin)號(hao)的(de)可(ke)變(bian)占(zhan)空(kong)比(bi)來(lai)控(kong)製(zhi)的(de)。由(you)於(yu)所(suo)需(xu)的(de)頻(pin)率(lv)範(fan)圍(wei)，電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)濾(lv)波(bo)器(qi)的(de)設(she)計(ji)可(ke)能(neng)變(bian)得(de)更(geng)具(ju)挑(tiao)戰(zhan)性(xing)。此(ci)外(wai)，由(you)於(yu)很(hen)難(nan)規(gui)定(ding)均(jun)流(liu)，LLC變換器並聯級的同步變得更加複雜。圖7顯示了車載充電器中使用的典型全橋LLC轉換器，其中轉換器的二次側也設計為全橋。

 

圖7：單向運行的全橋LLC變換器（二次側帶有源同步整流）

 

結論

 

電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)的(de)吸(xi)引(yin)力(li)取(qu)決(jue)於(yu)電(dian)池(chi)。半(ban)導(dao)體(ti)技(ji)術(shu)的(de)進(jin)步(bu)需(xu)要(yao)實(shi)現(xian)更(geng)高(gao)的(de)效(xiao)率(lv)和(he)最(zui)高(gao)的(de)性(xing)能(neng)
，使(shi)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)成(cheng)為(wei)傳(chuan)統(tong)交(jiao)通(tong)工(gong)具(ju)的(de)便(bian)捷(jie)和(he)環(huan)保(bao)的(de)替(ti)代(dai)品(pin)。為(wei)了(le)滿(man)足(zu)現(xian)代(dai)非(fei)車(che)載(zai)充(chong)電(dian)器(qi)設(she)計(ji)的(de)要(yao)求(qiu)，各(ge)種(zhong)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)和(he)技(ji)術(shu)在(zai)今(jin)天(tian)是(shi)可(ke)用(yong)的(de)。所(suo)以(yi)，我(wo)們(men)的(de)任(ren)務(wu)是(shi)使(shi)它(ta)們(men)完(wan)美(mei)匹(pi)配(pei)。

 

 

推薦閱讀：