如何设计可靠的多电平无桥图腾柱PFC

多级图腾柱 PFC 为设计人员提供了优于 2 级设计的市场吸引力优势，包括显着更小的电感器、更低的 dv/dt 和更低的开关损耗。开关工作电压的固有降低使多级 PFC 能够通过低成本标准多源 150V MOSFET 以最小的反向恢复时间和电荷来最佳实施。与市场上现有的宽带隙 (WBG) 解决方案相比，这种实施方式能够以低得多的系统成本实现超过 99.2% 的同类最佳效率。

图腾柱PFC的多级实现

a) 拓扑。图片由

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b) 两个开关单元的相移 PWM 调制。图片由

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图 1.

使用 150V MOSFET 的无桥图腾柱 PFC 设计。图片由

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由于传导损耗最低，无桥图腾柱布置是单相 AC/DC 应用的首选 PFC 拓扑 [1]、[2]。高频开关支路可以使用 650V WBG 器件 [1] 以 2 级方式实现，也可以基于现成的 150V MOSFET [2] 以多级方式实现。图 1(a) 所示的后一种实施方式可实现最佳功率转换，磁性元件减少 75%，BOM 成本降低 50%。这些巨大的好处是电力如何数字调制和从交流电转换为直流电的直接结果。具体而言，8×150V MOSFET（Q 1至Q 8）和电容器C 2被布置以形成两个2电平开关单元。内细胞包括Q 3、Q 4、Q 5和Q 6被控制为180度相移到由Q 1、Q 2、Q 7和Q 8组成的外部单元。每个单元中的串联 MOSFET，例如 Q 3和 Q 4，由基于 ICERGi IC70001 的隔离式低成本栅极驱动电路共同驱动开和关。两个开关单元的示例性驱动信号如图 1(b) 所示。

由于两个开关单元是级联和相移的，多电平拓扑比传统的两电平解决方案更高效、更安静地处理电源。特别是，功率转换发生在输出电压的一半和功率器件开关频率的两倍，从而导致：

• 主电感的伏秒积减少 4 倍。这允许使用低成本标准 Sendust 环形磁芯和实心漆包线将电感器设计缩小 4 倍，从而将 BOM 成本降低 50%。除了成本和尺寸优势之外，较小的电感器在低压线路运行时效率更高，从而进一步提高了转换器效率。
• 更低的开关损耗
• 降低 dv/dt，这对限制 EMI 效应很有价值

与任何 PFC 拓扑类似，多级图腾柱设计的可靠性取决于电源开关的使用寿命，尤其是 150V MOSFET。因此，将这些设备保持在其电气和热安全工作区域内是长寿命和可靠应用所必需的。本文的下一部分将讨论如何在真实世界设计中满足这些要求。

电压平衡是关键

图 1(a) 中所示的电容器 C 2和 C bulk定义了开关单元中每对串联 MOSFET 的工作电压。然而，每个 MOSFET 的工作电压可能无法很好地定义，具体取决于其开关特性以及驱动方式 [2]。如图 1(a) 所示，通过向开关单元添加两个飞跨电容器 C 1和 C 3可以完全解决这种敏感性问题。通过控制三个飞跨电容器 C 1、 C 2、 C 3和输出电容器 C bulk两端的电压，可以将所有开关器件的工作电压水平保持在其规格范围内。

图 2.

飞跨电容电压监测和控制。图片由

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PFC 输出电压 V Cbulk由数字 PFC 控制器测量和调节。相移调制自然迫使C 2的电压稳定在输出电压V Cbulk的一半。尽管自然平衡足以解决大多数器件和制造公差，但应积极监测和控制飞跨电容器电压 V C2以获得更好的保护。ICERGi PFC 控制器 IC70101 中集成了这种控制功能，如图 2 所示。C 2两端的电压首先由差分放大器缓冲，然后将其输出馈送到 PFC 控制器 IC70101 以进行 ADC 测量和软件保护。带有快速比较器的附加模拟电路可用于为开关元件提供额外的过压保护层。

串联连接的 MOSFET 需要精确的驱动延迟匹配，以最大限度地减少关断转换期间C 1和 C 3吸收的能量。将微型隔离驱动变压器与 ICERGi 栅极驱动器 IC70001 结合使用可以满足此类要求。由于C 1和C 3在操作期间不必处理任何重要的功率，因此它们的值可以很小，例如大约47nF。因此，它们的电压可以通过使用 4 个 TVS 器件 T 5、T 6、T 7和 T 8得到有效控制。为了最小化功率损耗，钳位电平选择在 115V 以上，并且仅在 V C1时触发 TVS 设备之一和 V C3分别偏离 V Cbulk /4 和 3*V Cbulk /4 的平衡点。

启动：V线= 230V ac，空载。图片由

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稳态运行：V线= 230V ac，P负载= 3kW。图片由

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2kV L-to-N 差分浪涌，V线= 230V ac，P负载= 2kW。图片由

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图 3.

启动、稳态和线路电压浪涌条件下的飞跨电容和输出电压。（VC1 = 蓝色，VC2 = 红色，VC3 = 绿色，VCbulk = 橙色）。图片由

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应该注意的是，电容器电压 V C2在所有工作条件下都得到了很好的控制，而输出电压 V Cbulk在上电和线路电压浪涌期间可能会经历快速瞬变。因此，图 1(a) 所示的两个附加 TVS 器件 T 1和 T 2包含在外部单元中，以提供足够的电压钳位，防止 MOSFET 进入雪崩模式。

图 4.

多级图腾柱 PFC 开关单元的推荐 PCB 布局。图片由

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图 3 展示了 V C1、 V C2、 V C3和 V Cbulk在不同工作条件下的行为。显然，电压平衡不仅在稳定状态下而且在瞬态响应期间都能很好地保持。外部电池的最坏情况发生在差模浪涌期间，如图 3(c) 所示。转换器快速增加 V C3以响应 V Cbulk的快速变化，从而将外部单元 MOSFET 的工作电压保持在 150V 限制范围内。

注意循环

除了工作电压之外，还需要控制 MOSFET 关断转换期间的过冲以满足设计要求。关断过冲通常是寄生电感和反向恢复电流的函数。大多数商用 150V MOSFET 已经具有出色的反向恢复特性，适用于硬开关应用；因此，通过 PCB 布局优化最小化寄生电感是必要的步骤。建议使用 SMD 元件和低 ESR 陶瓷电容器来减小环路尺寸。图 4 举例说明了一个 PCB 设计，其中排列了 8 个 SO8 MOSFET 和 SMD 飞跨电容器，以最大限度地减少由 (Q 4、Q 5、C 1 )、(Q 6、Q 3、C形成的 4 个回路1 , Q 2 ), (Q 7 , Q 2 , C 2 , C 3 ), 和 (Q 8 , Q 1 , C 3 , C bulk , R cs )。为了便于演示，与 C 2并联的两个薄膜型 PTH 电容器未包含在图 4 中。

由于低环路电感和出色的反向恢复性能，MOSFET Q 1、Q 2、Q 7和 Q 8的开关波形呈现出干净的过渡和最小的过冲。即使在图 5 所示的最大负载条件下，过冲也小于 10V，并且外部电池中的所有开关元件都小于 120V。这表明 30V 或 20% 的工作裕度是硬开关应用非常理想的。

类似地，其他 4 个 MOSFET Q 3、Q 4、Q 5和 Q 6的漏源电压也经历了最小的过冲和振铃，导致最大电压应力小于 120V。由于篇幅所限，本文不包括内细胞的实验数据，但可根据要求提供。

(a) 问1。图片由

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(b) Q 2。图片由

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(c) 问题7。图片由

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(d) 问题8。图片由

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图 5.

外部电池中开关器件的漏源电压。测试条件为 115Vac 和 1.5kW。实验数据由浮动示波器和 300MHz 单端探头采集。禁用 20MHz 带宽限制功能。图片由

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保持冷静保持可靠

除了电气应力之外，高工作温度通常会极大地影响开关元件的使用寿命，尤其是 150V MOSFET。可靠的设计应该能够在向负载提供最大功率的同时限制组件温度。如果转换器效率低且散热器尺寸受限，则该目标不容易实现。

由于更高效的功率转换和更大的损耗分布，多级图腾柱 PFC 在热方面比 2 级解决方案更具优势。尤其是如图 6 所示的 3kW 多级图腾柱 PFC 原型，在 230Vac 30% 至 50% 负载下可实现 > 99.2% 的效率，在 100% 负载下总损耗 < 38W。开关支路中的总损耗约为 20W，平均分布在 8 个 MOSFET 之间。因此，每个 MOSFET 在满载时必须消耗大约 2.5W 的功率，这可以通过底部冷却结合热通孔和热界面材料来实现。

图 6.

3kW 多级图腾 PFC 原型和效率数据。图片由

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图 7 显示了内部单元中 4 个 MOSFET 的热图像。剩余的外部单元 MOSFET 被控制卡覆盖，在图像中看不到。热数据表明，在满载和最小气流条件下，4 个开关的最高绝对温度远低于 50 摄氏度。高于环境温度的温升为30摄氏度。这与效率数据和每个 MOSFET 的功率损耗估计密切相关。需要强调的是，让电源开关运行温度更低是提高产品可靠性的最有效方法。

图 7.在 V

线= 230V 和 P负载= 3kW时捕获的 Q 3、Q 4、Q 5和 Q 6的温度。在 20 摄氏度的环境温度下运行 20 分钟后进行测量。空气流量 < 0.3m3/min。图片由 

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概括

如果所有开关器件都被控制在其电气和热额定值范围内正常工作，那么使用 150V MOSFET 进行 400V 电源转换不会降低设计的可靠性。如本文所述，多级无桥图腾柱 PFC 可以设计为在其安全工作区域内良好运行，在极端条件下具有显着裕度，并且与任何其他拓扑一样可靠。通过控制飞跨电容器电压，8 x 150 MOSFET 的电压应力在稳定状态下保持在 120V 以内，在线路电压浪涌和瞬变时保持在 150V 以内。

在热方面，多级图腾柱 PFC 提供优于 2 级解决方案的优势，因为多级功率转换效率更高（>99.3% 效率），从而降低功率损耗和产生的热量。此外，多个开关组件将损耗分散到更多开关上，从而将通常与 2 电平设计相关的热热点风险降至最低。