65 mΩ有源桥子卡：提升PFC效率的利器

一、引言

近年来，开关电源（SMPS）的发展趋势是在优化成本的同时，提高效率和功率密度。各种SMPS都有不同的效率要求，如80 PLUS或EuP标准。在白金级PSU中，高线输入时峰值效率需高于94%，低线输入时需高于92%；而钛金级设计的这两个值分别提高到96%和94%。此外，一些客户可能会根据系统运行条件定义更严格的效率要求。

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PSU的整体效率取决于功率因数校正（PFC）和DC - DC阶段的效率水平。对于固定的PSU效率目标，如果能提高PFC性能，就可以放宽DC - DC转换器的要求，反之亦然。那么，对于每个PSU制造商来说，一个关键问题是：这两个阶段之间的最佳平衡是什么？

用600 V CoolMOS™ S7制成的有源桥简单替换经典的二极管桥，是一种在不影响设计、复杂性和PFC成本的情况下，提高整个负载和电压范围内PFC效率性能的有效方法。

二、套件概述

2.1 硬件描述

有源桥子卡尺寸为35mm长、6mm宽、30.5mm高，与标准二极管桥整流器的尺寸（20mm x 30mm x 4.6mm）相当。子卡有五个引脚，包括交流输入的火线（AC1）和零线（AC2）、整流输出的正极（V +）和负极（V -）以及偏置电源输入（(V_{CC})）。偏置电源电压为12V，由PFC主板或应用提供，同时也用于为PFC控制和驱动阶段供电。

子卡集成了功率器件和控制/驱动组件，实现了高功率密度设计。采用TO - leadless（TOLL）封装的功率器件与栅极电阻一起放置在底部，顶部则放置了控制器（IR11688S）和高端MOSFET驱动器（2EDF7275F）。此外，还有用于高端MOSFET驱动的自举R - C - D网络和SOT - 223封装的小信号晶体管，以扩展控制器的电压能力。

2.2 有源桥控制方法

有源桥的控制直观易懂。在市电正半周期，Q1和Q4导通，其他MOSFET截止；在市电负半周期，Q3和Q2导通，其他MOSFET截止。所有MOSFET都以“反向模式”或“二极管模式”导通，即电流从源极流向漏极，目的是取代二极管的导通，以降低导通损耗，提高效率。

有源桥开关的控制方法有两种：

1. 测量输入电压V AC：通过将瞬时输入电压（通过电阻分压器适当缩放）与固定参考电压阈值进行比较，获得每个MOSFET的控制信号。分压器电阻应足够高，以最小化静态损耗，特别是在高线输入时。这种方法下，控制信号的导通时间强烈依赖于输入电压水平，低线输入时导通时间较短。
2. 检测MOSFET的(V_{DS})电压降：通过检测每个低端MOSFET的(V_{DS})，获取流经MOSFET的电流信息。这种方法常用于次级侧同步整流（SR）控制器，在高效降压DC - DC转换器中广泛应用。本有源桥子卡采用了英飞凌的IR11688S控制器，通过检测有源桥低压侧MOSFET（Q3、Q4）的漏源电压，确定源漏电流，并在每个导通周期的开始和结束时快速开关栅极。

2.2.1 导通消隐时间

当每个有源全桥MOSFET的导通阶段开始时，MOSFET仍处于截止状态，电流开始通过体二极管流动，产生负的(V{DS})电压。如果(V{DS})低于导通阈值(V{TH 2})（≈ - 230 mV）超过(T{Don})（≈150 ns），则相应MOSFET的栅极被驱动为高电平，(V{DS})迅速降至(I{D} * R{D S{O N}})。如果在(T{Don})超时之前(V{DS})高于(V_{TH 2})，内部延迟定时器将复位。这个导通消隐时间代表体二极管导通时间，有助于避免在不连续导通模式（DCM）操作中因高频振铃引起的误触发。

2.2.2 最小导通时间

栅极导通时的电压降通常会伴随一些振铃，可能会触发输入比较器迅速关闭栅极驱动。最小导通时间（MOT）消隐期可防止这种情况发生。对于固定频率50/60 Hz的PFC应用，MOT应设置为尽可能高的值，(T{MOT }=R{MOT } 2 10^{-11}+20 ns ≈2 μs)。

2.2.3 调节阶段

在MOT结束时，栅极输出不再被驱动为高电平，而是恢复到高阻抗状态。当(V{DS})低于调节阈值(V{THR})（≈ - 40 mV）时，弱下拉逐渐释放有源桥MOSFET输入电容上的栅极电压。随着栅极电压下降，MOSFET沟道电阻增加，进入线性区域，导致(V{DS})再次超过(V{THR})，弱下拉停止，直到导通电流下降到(V{DS})再次低于(V{THR})。这种调节过程持续进行，延长导通时间，直到电流降至非常低的水平，从而防止因PCB走线和MOSFET封装中的寄生电感导致的过早关断，减少SR MOSFET体二极管的导通时间，提高系统整体效率。

2.2.4 关断和复位

在开关周期结束时，整流电流降至零，(V{DS})电压将越过关断阈值(V{TH 1})（≈ - 4 mV），栅极被驱动为低电平，SR MOSFET关断。任何残余电流将再次通过体二极管流动，导致(V{DS})出现负阶跃。为防止再次触发导通，关断后有一个消隐时间(t{DBLANK})（≈15 μs）。只有当(V{DS})越过正阈值(V{TH 3})（≈1.18 V）且保持高于该阈值超过复位消隐时间(t_{BRST})（≈400 ns）时，才能复位。这可以防止关断阶段后振铃引起的误触发。

IR11688S在栅极驱动不切换时具有非常低的静态电流，待机模式下功耗小于500 μA。

2.3 板卡规格

参数	规格
输入电压范围	85 to 265 Vrms
低线标称输入电压	115 Vrms
高线标称输入电压	230 Vrms
交流线频率范围	45 to 65 Hz
最大环境温度	40°C
最大输出功率	2400 W（参考PFC板）
偏置电压	12 V

三、实验结果

3.1 稳态波形

在独立设置中，将交流发电机直接连接到板卡的AC1和AC2引脚，在输出引脚V +和V -上连接约160 Ω的电阻负载，测试有源桥子卡的稳态行为。实验得到了高线输入时PFC运行期间有源桥低端互补驱动信号的稳态波形。

3.2 控制参数优化

通过调整源电压电平位移器（(V{s})）可以提前或推迟有源桥MOSFET的导通和关断。实验中，通过调整(V{CC})电压改变(V{s})。当(V{s})为36 mV（对应(V{CC})为11.5 V）时，Q3 MOSFET在电流过零附近关断，互补MOSFET Q4在300 μs后导通；当(V{s})增加到44 mV（对应(V_{CC})为14 V）时，Q3 MOSFET的关断推迟，Q4的导通提前，死区时间减少到150 μs。

3.3 启动波形

将KIT_ACT_BRD_60R065S7安装在2400 W CCM PFC演示板EVAL_2K4W_ACT_BRD_S7上，在轻载下测试有源桥在PFC启动期间的行为。结果表明，有源桥仅在PFC开始提升电流以达到目标输出电压时才被激活，之后由于负载非常低，有源桥不再触发。

3.4 效率测量

将KIT_ACT_BRD_60R065S7安装在2400 W CCM PFC演示板EVAL_2K4W_ACT_BRD_S7上进行效率测量。通过直流电子负载改变负载，PFC将输出电压保持在约390 V DC。实验结果显示，与标准二极管桥相比，65 mΩ有源桥在约50%输出功率时可达到97%的峰值效率，在几乎所有负载条件下，PFC效率都高于98%，仅在输出功率约为2400 W时达到二极管桥的性能。65 mΩ有源桥在输出功率低于50%时，尤其是在低线输入时，具有明显的效率提升优势。

3.5 温度测量

在EVAL_2K4W_ACT_BRD_S7板的主要器件（如有源桥和标准二极管桥）上安装热电偶进行长期测试。测试在标称输入电压（230 V AC）和最小输入电压（90 V AC）下进行，这是PFC运行的最坏情况。结果显示，在90 V、1200 W时，有源桥温度最高达到64°C，与无源桥相比温度差为 - 9°C；在高线输入时，有源桥最高温度达到63°C，与无源桥相比温度差为 + 2°C，在约1500 W时达到平衡点。

四、总结

有源桥线路整流电路可以在整个功率范围内提高开关电源的效率，实现高效率和高功率密度。它具有灵活的设计，可根据不同应用的效率要求选择不同的子板MOSFET (R_{DS(on)})，而无需进行其他电路修改。本文记录了稳态波形，并说明了如何根据应用调整一些控制参数。在2400 W PFC中展示了有源桥线路整流的启动波形和效率提升结果。此外，还提供了参考电路的原理图，方便读者根据概念设计和制造有源桥线路整流板。

各位电子工程师们，你们在实际设计中是否遇到过类似的效率和温度问题呢？你们又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你们的经验和见解。