无桥PFC电路说明

合集下载

无桥PFC电路说明

无桥PFC电路说明

无桥P F C电路说明文稿归稿存档编号:[KKUY-KKIO69-OTM243-OLUI129-G00I-FDQS58-氮化镓 (GaN)技术由于其出色的开关特性和不断提升的品质,近期逐渐得到了电力转换应用的青睐。

具有低寄生电容和零反向恢复的安全GaN可实现更高的开关频率和效率,从而为全新应用和拓扑选项打开了大门。

连续传导模式 (CCM)图腾柱PFC就是一个得益于GaN优点的拓扑。

与通常使用的双升压无桥PFC拓扑相比,CCM图腾柱无桥PFC能够使半导体开关和升压电感器的数量减半,同时又能将峰值效率推升到95%以上。

本文分析了AC交叉区域内出现电流尖峰的根本原因,并给出了相应的解决方案。

一个750W图腾柱PFC原型机被构造成具有集成栅极驱动器的安全GaN,并且展示出性能方面的提升。

关键字—GaN;PFC;图腾柱;数字控制I.?简介当按下智能手机上的一个按钮时,这个手机会触发一个巨大的通信网络,并且连接到数千英里之外的数据中心。

承载通信数据时的功耗是不可见的,而又大大超过了人们的想象。

世界信息通信技术 (ICT) 生态系统的总体功耗正在接近全球发电量的10% [1]。

单单一个数据中心,比如说位于北卡罗来纳州的脸谱公司的数据中心,耗电量即达到40MW。

另外还有两个位于美国内华达州和中国重庆的200MW数据中心正在建设当中。

随着数据存储和通信网络的快速增长,持续运行电力系统的效率变得越来越重要。

现在比以前任何时候都需要对效率进行空前的改进与提升。

几乎所有ICT生态系统的能耗都转换自AC。

AC输入首先被整流,然后被升压至一个预稳压电平。

下游的DC/DC转换器将电压转换为一个隔离式48V或24V电压,作为电信无线系统的电源,以及存储器和处理器的内核电压。

随着MOSFET技术的兴起和发展,电力转换效率在过去三十年间得到大幅提升。

自2007年生效以来,Energy Star(能源之星)80 PLUS效率评价技术规范 [2] 将针对AC/DC整流器的效率等级从黄金级增加到更高的白金级,并且不断提高到钛金级。

无桥PFC

无桥PFC

(PFC)电路成为人们注意的焦点。

设计人员去掉了转换器输入端的常规桥式整流电路,可以减少开关损耗,进一步提高效率。

在这样的电路中,不存在由于导通损耗而降低效率的问题,且设计比较简单,需要的元件数量较少。

1没有使用桥式整流电路的电路2 OCC PFC控制电路3 常规电路和无桥式整流的电路的效率PFC电路有一些难点。

如图所示,电路的输入端没有二极管组成的桥式整流电路,而是在交流输入边有个升压电感器。

在这个电路中,输出和输入并无直接的连接,于是就存在输入电压的感测、电流的感测和电磁干扰噪音等问题。

特别是,由于升压电感器放在交流输入这边,因此很难感测作为输入的电网交流电压和电感器上的电流。

1所示的没有使用桥式电路的整流器的工作原理。

升压电感器分成两半,形成升压电路。

输出电路由个晶体管和个二极管组成。

在交流电网电压的每一个半周中,其中一个起有源开关的作用,而另一个就起二极管的简单作用。

在这对晶体管中,处于工作状态的那个晶体管,与一个二极管和输入电感器一起,组成升压转换器。

输入电流由升压转换器来控制,随着输入电压而变化。

(OCC)方法PFC电路,最常用的是平均电流控制和峰值电流控制,它们都是使用模拟乘法器的技术。

最近,设计人员开始探讨其他的技术,其中包括单周控制的方法,如图所示。

OCC控制方法就很有优势。

使用输出电压和电感器中的电流峰值来计算前后衔接的每个周期的占空比,所以,在使用方法时,需要的所有信息是从直流母线电压和电流那里得到的,不需要感测交流电网的电压,从而最大限度地提高了功率因数。

而且,占空比控制着升压电路输入和输出之间的关系,电感器中的电流峰值可以自动地跟随输入电压的波形,这样就实现了功率因数校正的功能。

由于所有必要的信息都是从电感器中的电流峰值和电压输出那里得到的,因此不需要感测输入电压。

(EMI)的特性一般与功率级的结构有关。

对于常规的,输出的地总是通过桥式整流器与输入电网相连,引起共模噪音的唯一寄生电容是晶体管的漏极与地之间的寄生电容。

无桥PFC方案原理及实例实用

无桥PFC方案原理及实例实用

0 2500
Preliminary EMI results (low line, 600W)
Still working on EMI improvement on HF range
Output Power (W)
Efficiency at high‐line input
99.5
200
99
180
98.5
160
98
140
97.5
120
eff
97
100
Ploss
96.5
80
96
60
95.5
40
95
20
94.5 0
500 1000 1500 2000 Output Power (W)
将Transphorm公司的无 桥PFC板及LLC的演示板 整合起来就得到97.5%以 上效率的电源
Eff. (%)
POUT (W)
采用氮公镓方案的1000W 无桥 PFC电源的效率 99.2%
采用氮化镓的LLC电源效率 1000W 98.8%
2.4kW Totem Pole PFC using Tranphorm’s TPH3205WS(63mΩ) in TO247
Totem pole
99.1% 98.97% 98.84% 98.7% 98.57%
Totem pole with EMI filter and current sense
98.9% 98.77% 98.64% 98.5% 98.37%
频率越高体积越小
采用氮化镓实现全电源97.5%效率(AC‐DC 1000W)
产品的应用:氮化镓的无桥PFC
图腾PFC是一种最高效的无桥PFC,周边器件少。

无桥PFC方案原理及实例实用

无桥PFC方案原理及实例实用

无桥PFC电路原理及应用实例PFC + LLC 原理图 效率99.4% Totem-pole PFC, bridgeless PFC Totem pole PFC, Totem pole boostTPH3006PS TPH3206PS TPH3002PS TPH3202PS TPH3205WS TPH3206LD TPH3202LD产品的应用:氮化镓的无桥PFC /Totem Pole PFC用FET代替整流桥同时实现高效PFC功能• • 传统用的无桥需要2MOSFET,2电感,2碳 化硅二极管(D1,D2)才能实现高效率 采用氮化镓的图腾无桥PFC只要一个电 感,2个氮化镓MOS,另D1,D2可以用二极 管也可以从等同内阻的硅MOSFET以实现 更高效率 就现阶段氮化镓无桥的方案已比传统的 低了(传统的会用上两个高碳货硅二极 管及多用一个电感) 同时因氮化镓适合高频。

采用氮化镓高 频化的无桥PFC后,体积大大变小,综合 成本更有优势/效率依然很高传统Dual‐boost无桥PFCPFC••氮化镓的图腾无桥 PFC此设计是利用氮化镓体内二 极管超低的反向恢复特性来 实现高效低成本。

产品的应用:氮化镓的无桥PFC图腾PFC是一种最高效的无桥PFC,周边器件少。

将高频开关的Q1,Q2换成氮化镓FET以实现高效的 CCM操作 1000W的氮化镓无桥PFC 效率达99.2%以 上230V:400V  boost Totem pole Totem pole  with EMI filter  and current  sense50kHz 100kHz 150kHz 200kHz 250kHz99.16% 99.03%99.1% 98.97% 98.84% 98.7% 98.57%98.9% 98.77% 98.64% 98.5% 98.37%频率越高体积越小采用氮化镓实现全电源97.5%效率(AC‐DC 1000W)将Transphorm公司的无 桥PFC板及LLC的演示板 整合起来就得到97.5%以 上效率的电源Eff. (%)POUT (W) 采用氮公镓方案的1000W 无桥 PFC电源的效率 99.2%采用氮化镓的LLC电源效率 1000W 98.8%2.4kW Totem Pole PFC using Tranphorm’s TPH3205WS(63mΩ) in TO247Cost-effective 5mΩ resistor for current sensing and control 100KHz switching frequency, with peak eff of 98.8% at high line inputEfficiency at low‐line input99.5 99 98.5 98Efficiency(%)eff PlossEfficiency at high‐line input200 180 160 140Efficiency(%)99.5 99 98.5 98 97.5 97 96.5 96 95.5 95 94.5 0 500 1000 1500 Output  Power (W) 2000Ploss200 180 160 140effLoss(W)97 96.5 96 95.5 95 94.5 0 200100 80 60 40 20 0 400 600 800 1000 1200 1400 Output  Power (W)100 80 60 40 20 0 2500Loss(W)97.5120120Preliminary EMI results (low line, 600W)Still working on EMI improvement on HF range。

无桥pfc电路工作原理详解

无桥pfc电路工作原理详解

无桥pfc电路工作原理详解
嘿!今天咱们来好好聊聊无桥PFC 电路工作原理这个超级重要的话题呀!
哎呀呀,你知道吗?无桥PFC 电路在电力电子领域那可是有着相当关键的地位呢!它能大大提高电能的利用效率,让咱们的电器设备运行得更稳定、更节能!
那这无桥PFC 电路到底是怎么工作的呢?哇!其实呀,它通过一系列巧妙的电子元件组合和控制策略来实现功率因数校正的哟!
在传统的PFC 电路中,存在着一些能量损耗的问题,而无桥PFC 电路可就厉害了呀!它巧妙地减少了导通路径上的二极管数量,从而降低了导通损耗呢!
比如说,在正半周时,电流会按照特定的路径流动,嘿,这时候一些关键的元件就开始发挥作用啦!而到了负半周,又会有不同的元件参与进来,共同保证电路的高效运行呀!
你可能会问,那它具体是怎么控制电流和电压的呢?哎呀呀,这就涉及到复杂的控制算法和反馈机制啦!通过对输入电流和电压的实时监测,然后快速调整电路中的开关状态,从而达到理想的功率因数校正效果呢!
无桥PFC 电路的优点可不止降低损耗这么简单哟!它还能减少电磁干扰,提高整个系统的可靠性哇!
总之呢,无桥PFC 电路工作原理真的是超级复杂又超级厉害呀!它的出现为电力电子技术的发展带来了巨大的推动作用呢!怎么样,
是不是对它有了更深的了解啦?。

无桥PFC电路说明

无桥PFC电路说明

氮化镓 (GaN)技术由于其出色的开关特性和不断提升的品质.近期逐渐得到了电力转换应用的青睐。

具有低寄生电容和零反向恢复的安全GaN可实现更高的开关频率和效率.从而为全新应用和拓扑选项打开了大门。

连续传导模式(CCM)图腾柱PFC就是一个得益于GaN优点的拓扑。

与通常使用的双升压无桥PFC拓扑相比.CCM图腾柱无桥PFC能够使半导体开关和升压电感器的数量减半.同时又能将峰值效率推升到95%以上。

本文分析了AC交叉区域内出现电流尖峰的根本原因.并给出了相应的解决方案。

一个750W图腾柱PFC原型机被构造成具有集成栅极驱动器的安全GaN.并且展示出性能方面的提升。

关键字—GaN;PFC;图腾柱;数字控制I. 简介当按下智能手机上的一个按钮时.这个手机会触发一个巨大的通信网络.并且连接到数千英里之外的数据中心。

承载通信数据时的功耗是不可见的.而又大大超过了人们的想象。

世界信息通信技术 (ICT) 生态系统的总体功耗正在接近全球发电量的10% [1]。

单单一个数据中心.比如说位于北卡罗来纳州的脸谱公司的数据中心.耗电量即达到40MW。

另外还有两个位于美国内华达州和中国重庆的200MW数据中心正在建设当中。

随着数据存储和通信网络的快速增长.持续运行电力系统的效率变得越来越重要。

现在比以前任何时候都需要对效率进行空前的改进与提升。

几乎所有ICT生态系统的能耗都转换自AC。

AC输入首先被整流.然后被升压至一个预稳压电平。

下游的DC/DC转换器将电压转换为一个隔离式48V或24V电压.作为电信无线系统的电源.以及存储器和处理器的内核电压。

随着MOSFET技术的兴起和发展.电力转换效率在过去三十年间得到大幅提升。

自2007年生效以来.Energy Star(能源之星)80 PLUS效率评价技术规范 [2] 将针对AC/DC整流器的效率等级从黄金级增加到更高的白金级.并且不断提高到钛金级。

然而.由于MOSFET的性能限制.以及与钛金级效率要求有关的重大设计挑战.效率的改进与提升正在变慢。

无桥Boost PFC电路的EMI分析

无桥Boost PFC电路的EMI分析

摘要:系统地介绍了目前出现的无桥Boost PFC主电路结构,对它们各自导通路径﹑EMI进行了对比分析。

采用两种比较有代表性的无桥拓扑作为主电路结构,控制电路采用单周控制芯片IR1150,设计了试验样机,并对两种PFC电路的EMI进行了测试分析。

关键词:功率因数校正(PFC :Power Factor Correction)无桥EMI1 引言目前,功率因数校正一直在朝着效率高﹑结构简单﹑控制容易实现﹑减小EMI等方向发展,所以无桥Boost PFC电路[1]作为一种提高效率的有效方式越来越受到人们的关注。

无桥Boost PFC电路省略了传统Boost PFC电路的整流桥,在任一时刻都比传统Boost PFC电路少导通一个二极管,所以降低了导通损耗,效率得到很大提高,本文就常见的几种无桥Boost PFC电路[2]进行了对比分析,并且对两种比较有代表性的无桥电路进行了实验验证和EMI测试分析。

2 开关变换器电路的传导EMI分析电磁干扰(EMI)可分为传导干扰和辐射干扰两种,当开关变换器电路的谐波电平在高频段(频率范围30 MHz以上)时,表现为辐射干扰,而当开关变换器电路的谐波电平在低频段(频率范围0.15~30 MHz)表现为传导干扰,所以开关变换器电路中主要是传导干扰。

传导干扰电流按照其流动路径可以分为两类:一类是差模干扰电流,另一类是共模干扰电流。

以图1所示的Boost电路为例对开关变换器电路的EMI进行分析,该电路整流时产生的脉动电流给电路系统引入了大量的谐波,虽然在整流输出侧有一个电解电容C能滤除一些谐波,但是由于电解电容有较大的等效串联电感和等效串联电阻,所以电解电容不可能完全吸收这些谐波电流,有相当一部分谐波电流要与电解电容的等效串联电感和等效串联电阻相互作用,形成差模电流Idm返回交流电源侧,差模电流的传播路径如图1中带箭头的实线所示。

开关管的高频通断产生很高的d v/d t,它与功率管和散热器之间的寄生电容Cp相互作用形成共模电流Icm,此共模电流通过散热器到达地,地线的共模电流又通过寄生电容Cg1和Cg2耦合到交流侧的相线和中线,从而形成共模电流回路,共模电流的传播路径如图1中带箭头的虚线所示。

无桥BoostPFC电路的主要参数设计

无桥BoostPFC电路的主要参数设计

计 算 值 , 无 桥 Boost PFC 电 路 中 的 功 率 管 选 用
2SK2996,续流二极管选用 DSE18-06A,输入端接入
电压 Vin=85V~265V,电源频率 f=50Hz 的交流电压, 同 时 负 载 最 大 输 出 功 率 Po=400W, 输 出 电 压 Vo= 400V,开关频率 fsw 设置为 100KHz。 用于 AC/DC 功 率因数校正电路的 IR1150S 系列产品采用了图 2 所 示的单周期控制技术, 其控制电路的核心集成在 IR1150S 内。 以输入电压为 110V 做测试实验,实验 数据见表 2, 输出功率与功率因数和效率之间关系 曲线如图 3。
[收稿日期]2008- 10- 08 [作者简介]陈元招( 1977- ) ,女,福建永定人,讲师,主要从事电力电子技术教学及其应用研究。
111
图 1 无桥 Boost PFC 电路图
一时刻只有两个半导体器件导通, 比传统带整流桥 的 PFC 电路少导通一个二极管,因此降低了导通损 耗,效率得到提高。 1.2 IR1150S 芯片的控制原理
保 护 端 , 其 过 电 压 保 护 门 限 电 压 为 1.055VREF = 7.385V,从输出端采样的电 压 不 超 过 其 值 ,当 Boost
PFC 电 路 输 出 电 压 超 过 430V 时 , 反 馈 到 OVP/EN
的电压就会超过 7.385V 的阈值电压,器件则进入过
电压保护模式[8],即
(4)
k= Vo-Vi(pk) min = 400-120.21 =0.699
(5)
Vo
400
在(5)式中 Vo=400V,为 PFC 电路的输出电压。
L= Vi(pk) min×K fswΔIL

无桥PFC电路说明

无桥PFC电路说明

氮化镓 (GaN)技术由于其出色得开关特性与不断提升得品质,近期逐渐得到了电力转换应用得青睐。

具有低寄生电容与零反向恢复得安全GaN可实现更高得开关频率与效率,从而为全新应用与拓扑选项打开了大门。

连续传导模式(CCM)图腾柱PFC就就是一个得益于GaN优点得拓扑。

与通常使用得双升压无桥PFC拓扑相比,CCM图腾柱无桥PFC能够使半导体开关与升压电感器得数量减半,同时又能将峰值效率推升到95%以上。

本文分析了AC交叉区域内出现电流尖峰得根本原因,并给出了相应得解决方案。

一个750W图腾柱PFC原型机被构造成具有集成栅极驱动器得安全GaN,并且展示出性能方面得提升。

关键字—GaN;PFC;图腾柱;数字控制I、简介当按下智能手机上得一个按钮时,这个手机会触发一个巨大得通信网络,并且连接到数千英里之外得数据中心。

承载通信数据时得功耗就是不可见得,而又大大超过了人们得想象。

世界信息通信技术 (ICT) 生态系统得总体功耗正在接近全球发电量得10% [1]。

单单一个数据中心,比如说位于北卡罗来纳州得脸谱公司得数据中心,耗电量即达到40MW。

另外还有两个位于美国内华达州与中国重庆得200MW数据中心正在建设当中。

随着数据存储与通信网络得快速增长,持续运行电力系统得效率变得越来越重要。

现在比以前任何时候都需要对效率进行空前得改进与提升。

bYomY。

几乎所有ICT生态系统得能耗都转换自AC。

AC输入首先被整流,然后被升压至一个预稳压电平。

下游得DC/DC 转换器将电压转换为一个隔离式48V或24V电压,作为电信无线系统得电源,以及存储器与处理器得内核电压。

随着MOSFET技术得兴起与发展,电力转换效率在过去三十年间得到大幅提升。

自2007年生效以来,Energy Star(能源之星)80 PLUS效率评价技术规范 [2] 将针对AC/DC整流器得效率等级从黄金级增加到更高得白金级,并且不断提高到钛金级。

然而,由于MOSFET得性能限制,以及与钛金级效率要求有关得重大设计挑战,效率得改进与提升正在变慢。

单相无桥pfc整流电路

单相无桥pfc整流电路

单相无桥pfc整流电路单相无桥PFC整流电路是一种常用的电力因数校正(PFC)电路,其主要功能是在输入电流波形和电压波形之间建立相位差,以减少电网对电路的负载。

在电源电路中,电力因数是一个非常重要的指标。

电力因数是指电流与电压之间的相位差,用于描述电路对电源的负载程度。

电力因数越高,电路对电源的负载越小,能够更高效地利用电能。

单相无桥PFC整流电路的工作原理如下:1. 输入电流检测:电路通过电流传感器检测输入电流的波形和幅值。

2. 相位控制:电路根据检测到的输入电流波形,通过相位控制电路调整电流的相位,使电流与电压之间建立合适的相位差。

3. 桥电路:电路使用桥电路将交流电转换为直流电,通过电感和电容滤波电路对电流进行滤波,以获得更为稳定的直流电。

4. 控制电路:电路通过控制电路对电流进行调整和保护,确保电路的稳定工作。

单相无桥PFC整流电路的优点有以下几个方面:1. 提高电力因数:通过相位控制,电路能够使输入电流与电压之间建立合适的相位差,提高电力因数,减少电网对电路的负载。

2. 减少电网污染:电力因数的提高能够减少谐波电流对电网的污染,保护电网的正常运行。

3. 提高电路效率:电力因数的提高能够减少电路的功率损耗,提高电路的工作效率。

4. 增加电路的稳定性:通过电流的调整和保护控制,电路能够保持稳定的工作状态,提高电路的可靠性和寿命。

单相无桥PFC整流电路的应用广泛,特别适用于电力供应和电子设备。

在电力供应中,PFC电路能够减少电网的负载,提高电力因数,保护电网的稳定运行。

在电子设备中,PFC电路能够提高电路的效率和稳定性,减少电路的功耗,延长电子设备的使用寿命。

总之,单相无桥PFC整流电路是一种重要的电力因数校正电路,通过相位控制和桥电路的组合,能够提高电路的效率和稳定性,减少电网的负载,保护电源的正常运行。

其应用广泛,对电力供应和电子设备都有着重要的意义。

在未来的发展中,单相无桥PFC整流电路将进一步优化和改进,以满足不断增长的能源需求和环境保护的要求。

无桥交错式pfc电路

无桥交错式pfc电路

无桥交错式pfc电路无桥交错式PFC电路是一种用于改善电力因数的电路,它采用了无桥交错式拓扑结构。

在传统的桥式PFC电路中,由于使用了桥式整流器,会产生二次谐波,导致电力因数较低。

而无桥交错式PFC电路通过改变整流方式,有效降低了谐波含量,提高了电力因数。

无桥交错式PFC电路的基本原理是通过交错的输入电压和交错的输出电流来减小功率因数。

在该电路中,采用两个交错的开关,分别连接到两个并联的电感上。

当输入电压为正时,一个开关导通,通过对应的电感和电容进行充电;当输入电压为负时,另一个开关导通,通过另一个电感和电容进行充电。

这样交错的操作可以减小电流的脉动,从而减小谐波含量。

无桥交错式PFC电路的工作原理与传统桥式PFC电路相比有所不同。

在传统桥式PFC电路中,四个开关分别控制两个电感和两个电容的充电和放电,这样会导致电流的脉动增大,谐波含量较高。

而无桥交错式PFC电路通过交错的操作,将两个开关分别连接到两个电感上,使得电流的脉动减小,谐波含量降低。

同时,无桥交错式PFC 电路还可以减小开关损耗,提高系统效率。

无桥交错式PFC电路的设计需要考虑一些关键参数,如开关频率、电感和电容的数值、电路的效率等。

开关频率的选择需要考虑到电感和电容的响应时间,以及系统的功率需求。

电感和电容的数值需要根据输入电压的大小和电路的功率来确定,以保证电路正常工作并具有良好的电力因数校正效果。

电路的效率则受到开关损耗、电感和电容的损耗以及其他器件的损耗等因素的影响。

无桥交错式PFC电路在电力因数校正方面具有明显的优势。

通过合理的电路设计和参数选择,可以实现电力因数的显著提高,减小谐波含量,提高系统效率。

此外,无桥交错式PFC电路还可以减小电流的脉动,减少对其他设备的干扰。

因此,在许多应用中,无桥交错式PFC电路被广泛采用。

无桥交错式PFC电路是一种用于改善电力因数的电路,采用了交错的开关操作和交错的输入输出方式,通过减小电流脉动和降低谐波含量来提高电力因数。

无桥PFC方案原理及实例实用

无桥PFC方案原理及实例实用

0 2500
Preliminary EMI results (low line, 600W)
Still working on EMI improvement on HF range
产品的应用:氮化镓的无桥PFC
图腾PFC是一种最高效的无桥PFC,周边器件少。
将高频开关的Q1,Q2换成氮化镓FET以实现高效的 CCM操作
1000W的氮化镓无桥PFC 效率达99.2%以 上
50kHz 100kHz 150kHz 200kHz 250kHz
230V:400V boost
99.16% 99.03%
传统Dual‐boost无桥PFCPFC
• 就现阶段氮化镓无桥的方案已比传统的 低了(传统的会用上两个高碳货硅二极 管及多用一个电感)
• 同时因氮化镓适合高频。采用氮化镓高 频化的无桥PFC后,体积大大变小,综合
成本更有优势/效率依然很高
氮化镓的图腾无桥 PFC
此设计是利用氮化镓体内二 极管超低的反向恢复特性来 实现高效低成本。
Totem pole
99.1% 98.97% 98.84% 98.7% 98.57%
Totem pole with EMI filter and current sense
98.9% 98.77% 98.64% 98.5% 98.37%
频率越高体积越小
采用氮化镓实现全电源97.5%效率(AC‐DC 1000W)
Efficiency(%) Loss(W)
Efficiency at low‐line input
99.5
200
99
180
98.5
eff
160
98
Ploss
140

无桥pfc电路防浪涌 热敏电阻

无桥pfc电路防浪涌 热敏电阻

无桥pfc电路防浪涌热敏电阻下载提示:该文档是本店铺精心编制而成的,希望大家下载后,能够帮助大家解决实际问题。

文档下载后可定制修改,请根据实际需要进行调整和使用,谢谢!本店铺为大家提供各种类型的实用资料,如教育随笔、日记赏析、句子摘抄、古诗大全、经典美文、话题作文、工作总结、词语解析、文案摘录、其他资料等等,想了解不同资料格式和写法,敬请关注!Download tips: This document is carefully compiled by this editor. I hope that after you download it, it can help you solve practical problems. The document can be customized and modified after downloading, please adjust and use it according to actual needs, thank you! In addition, this shop provides you with various types of practical materials, such as educational essays, diary appreciation, sentence excerpts, ancient poems, classic articles, topic composition, work summary, word parsing, copy excerpts, other materials and so on, want to know different data formats and writing methods, please pay attention!无桥PFC电路防浪涌:热敏电阻的研究与应用1. 引言随着电子产品的普及和使用,对电源的质量和稳定性要求也越来越高。

  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。

氮化镓 (GaN)技术由于其出色的开关特性和不断提升的品质,近期逐渐得到了电力转换应用的青睐。

具有低寄生电容和零反向恢复的安全GaN可实现更高的开关频率和效率,从而为全新应用和拓扑选项打开了大门。

连续传导模式 (CCM)图腾柱PFC就是一个得益于GaN优点的拓扑。

与通常使用的双升压无桥PFC拓扑相比,CCM图腾柱无桥PFC能够使半导体开关和升压电感器的数量减半,同时又能将峰值效率推升到95%以上。

本文分析了AC 交叉区域内出现电流尖峰的根本原因,并给出了相应的解决方案。

一个750W图腾柱PFC原型机被构造成具有集成栅极驱动器的安全GaN,并且展示出性能方面的提升。

关键字—GaN;PFC;图腾柱;数字控制I. 简介当按下智能手机上的一个按钮时,这个手机会触发一个巨大的通信网络,并且连接到数千英里之外的数据中心。

承载通信数据时的功耗是不可见的,而又大大超过了人们的想象。

世界信息通信技术 (ICT) 生态系统的总体功耗正在接近全球发电量的10% [1]。

单单一个数据中心,比如说位于北卡罗来纳州的脸谱公司的数据中心,耗电量即达到40MW。

另外还有两个位于美国内华达州和中国重庆的200MW数据中心正在建设当中。

随着数据存储和通信网络的快速增长,持续运行电力系统的效率变得越来越重要。

现在比以前任何时候都需要对效率进行空前的改进与提升。

几乎所有ICT生态系统的能耗都转换自AC。

AC输入首先被整流,然后被升压至一个预稳压电平。

下游的DC/DC 转换器将电压转换为一个隔离式48V或24V电压,作为电信无线系统的电源,以及存储器和处理器的内核电压。

随着MOSFET技术的兴起和发展,电力转换效率在过去三十年间得到大幅提升。

自2007年生效以来,Energy Star(能源之星)80 PLUS效率评价技术规范 [2] 将针对AC/DC整流器的效率等级从黄金级增加到更高的白金级,并且不断提高到钛金级。

然而,由于MOSFET的性能限制,以及与钛金级效率要求有关的重大设计挑战,效率的改进与提升正在变慢。

为了达到96%的钛金级峰值效率,对于高压线路来说,功率因数校正 (PFC) 电路效率的预算效率应该达到98.5%及以上,对于低压电路,这个值应该不低于96.4%。

发展前景最好的拓扑是无桥PFC 电路,它没有全波AC整流器桥,并因此降低了相关的传导损耗。

[3] 对于不同无桥PFC的性能评价进行了很好的总结。

这个性能评价的前提是,所使用的有源开关器件为MOSFET或IGBT。

大多数钛金级AC/DC整流器设计使用图6中所示的拓扑 [3],由两个电路升压组成。

每个升压电路在满功率下额定运行,不过只在一半AC线路周期内运行,而在另外周期内处于空闲状态。

这样的话,PFC转换器以材料和功率密度为代价实现了一个比较高的效率值 [4]。

通常情况下,由于MOSFET体二极管的缓慢反向恢复,一个图腾柱PFC无法在连续传导模式 (CCM) 下高效运行。

然而,它能够在电压开关为零 (ZVS) 的变换模式下实现出色的效率值。

数篇论文中已经提到,PFC 效率可以达到98.5%-99%。

对于高功率应用来说,多个图腾柱升压电路可以交错在一起,以提高功率水平,并且减少输入电流纹波。

然而,这个方法的缺点就是控制复杂,并且驱动器和零电流检测电路的成本较高。

此外,因此而增加的功率组件数量会产生一个低功率密度设计。

因此,这个简单的图腾柱电路需要高效运行在CCM下,以实现高功率区域,并且在轻负载时切换至具有ZVS的TM。

通过使用这个方法,可以同时实现高效率和高功率密度。

作为一款新兴半导体开关,氮化镓 (GaN) FET正在逐渐走向成熟,并且使此类应用成为可能。

Transphorm 公司已经在APEC 2013上展示了一款峰值效率达到99%的基于GaN的图腾柱CCM PFC [9]。

[10-12] 还介绍了GaN器件出色的开关特性,以及应用优势。

为了更好地理解GaN特性,并且进一步解决应用中存在的顾虑,特别是开关频率和交叉电流尖峰问题,这篇文章讨论了:II. GaN技术概述、III. 图腾柱CCM PFC控制、IV. 实验和V. 结论。

II. GaN技术概述GaN高电子迁移率晶体管 (HEMT) 首次问世是在2004年。

HEMT结构表现出非同寻常的高电子迁移率,这个值所表示的是一个AlGaN和GaN异构表面附近的二维电子气 (2DEG)。

正因如此,GaN HEMT也被称为异构FET (HFET),或者简单地称为FET。

基本GaN晶体管结构如图1中所示 [13]。

源电极和漏电极穿透AlGaN层的顶部,并且接触到下面的2DEG。

这就在源极和漏极之间形成一个低阻抗路径,而也就自然而然地形成了一个D模式器件。

通过将负电压施加到栅极上,2DEG的电子被耗尽,晶体管被关闭。

增强模式 (E-mode) GaN晶体管器件使用与D-mode GaN器件一样的基底工艺,在一个硅 (Si) 或碳化硅 (SiC) 基板顶部培养一层薄薄的氮化铝 (AlN) 绝缘层。

然后,高阻性GaN和一个氮化铝镓与GaN的异构体被先后放置在AlN上。

源电极与2DEG接触,而漏电极与GaN接触。

对于栅极的进一步处理在栅极下形成一个耗尽层。

图2中给出了这个基本结构。

要接通FET,必须在栅极上施加一个正电压。

B.GaN,SiC和Si的物理属性比较一个半导体材料的物理属性决定了终端器件的最终性能。

表1中显示的是影响器件性能的主要属性。

E G是带隙能量。

E G>1.4的半导体通常被称为宽带隙材料。

E G更大的材料将需要更多的能量来将电子从其键位上断开,以穿越带隙。

它具有更低的泄露电流和更高的温度稳定性。

E BR是临界区域击穿电压,这个电压会直接影响到电离和雪崩击穿电压电平。

V S是饱和速率。

峰值电子漂移速率决定了开关频率限值。

µ是电子迁移率,它与接通电阻成反比。

接通电阻与这个参数之间的关系为 [19]:与一个Si器件相比,如图3的品质因数中所示,碳化硅的接通电阻减少了大约500倍,而对于一个指定尺寸的半导体来说,GaN的这些值甚至更高。

图3—硅、碳化硅和氮化镓理论接通电阻与阻断电压能力之间的关系 [16]。

过去三十年间,硅 (Si) 在功率应用中占主导地位。

但是,随着其性能接近了理论限值,性能方面的提升也变得十分有限。

作为2个新兴半导体材料,SiC和GaN看起来似乎是针对未来高性能应用的极有发展前途的候选材料。

C.在FET模式和二极管模式中运行的GaN器件D-mode和E-mode GaN FET的输出特性如图4中所示 [13]。

很明显,D-mode器件使用起来不太方便,其原因在于,将一个功率级连接至DC输入之前,必须在功率器件上施加一个负偏置电压。

相反地,E-mode GaN FET,正如MOSFET,通常情况下是关闭的,并且对于应用来说更加友好。

然而,常开型GaN器件更加易于生产,并且性能要好很多 [20]。

对于一个指定区域或导通电阻,D-mode GaN FET的栅极电荷和输出电容比E-mode GaN FET的少一半。

而这在开关电力转换器应用中具有重大优势。

对于高压GaN器件来说,大多数供应商正在使用图5中所示的,具有共源共栅LV NMOSFET结构的D-mode GaN。

LV NMOS是一种具有低R ds-on和快速反向恢复体二极管的20V-30V硅材料N沟道MOSFET。

当把一个正电压施加到GaN共源共栅FET的漏极与源极之间时,内部MOSFET的V ds在FET关闭时开始上升,进而在GaN器件的栅极和源极上形成一个负电压,从而使GaN器件关闭。

通常情况下,MOSFET的V ds将保持几伏特的电压,这个电压足够使GaN器件保持在关闭状态。

当施加栅极电压时,MOSFET被接通,这使得MOSFET的栅极与源极短接,随后,GaN器件被接通。

在FET模式下,一个GaN共源共栅FET与具有扩展GaN电压额定值和附加GaN电阻的集成MOSFET的工作方式十分相似。

然而,GaN器件决定了输出电容值,而这个值远远小于与之相对应的MOSFET的C oss。

GaN器件本身没有体二极管,但是,当反向电流被施加到GaN共源共栅FET上时,MOSFET的体二极管首先导电,而这样实际上就把体二极管的V f施加到GaN器件的栅极上,随后GaN器件被接通。

这样的话,低压FET的体二极管运行为共源共栅开关“体二极管”。

由于LV MOSFET的正向压降和Qrr比高压MOSFET要低,所以这样做还是有其实际意义的。

出色的体二极管运行方式是GaN共源共栅FET的其中一个主要特性和优势。

由于对GaN共源共栅FET驱动的要求与对于传统MOSFET的要求是一样的,在应用采用方面,MOSFET的直接简易替换也是GaN共源共栅FET的另外一个优势。

共源共栅方法的缺点在于,集成MOSFET必须在每个开关周期内切换。

GaN共源共栅FET继承了MOSFET开关的某些特点,其中包括大栅极电荷与反向恢复。

这些特点限制了GaN器件的性能。

D.安全GaN FET为了克服共源共栅结构的缺点,我们在这里介绍一个全新的安全GaN FET结构(如图6中所示)。

这个安全GaN FET集成了一个常开型GaN器件、一个LV MOSFET、一个启动电路和一个用于GaN器件的栅极驱动器。

MOSFET的功能与其在GaN共源共栅FET结构中的功能一样。

它确保常开型GaN器件在V cc偏置电压被施加前关闭。

在Vcc被施加,并且栅极驱动器建立一个稳定的负偏置电压后,启动逻辑电路将MOSFET打开,并在随后保持接通状态。

由于GaN器件不具有少数载子,也就不存在反向恢复,与相对应的MOSFET相比,GaN的栅极电容要少10倍,输出电容要低数倍。

安全GaN FET完全涵盖了GaN所具有的优势。

出色的开关特性确保了全新的开关转换器性能等级。

还应指出的一点是,由于安全GaN FET内没有实际存在的体二极管,当一个负电流流经GaN FET,并且在漏极和源极上产生出一个负电压时,这个GaN器件的运行方式与二极管一样。

GaN FET在Vds达到特定的阀值时开始反向传导,而这个阀值就是“体二极管”正向压降。

正向压降可以很高,达到数伏特。

有必要接通GaN FET来减少二极管模式下运行时的传导损耗。

III.图腾柱PFC CCM控制图腾柱PFC是一款不错的测试工具,可以在硬开关模式中对安全GaN FET进行评估。

图7中所示的是一个常见的图腾柱PFC电源电路。

Q3和Q4是安全GaN FET;Q1和Q2是AC整流器FET,它在AC线路频率上开关;而D1和D2是浪涌路径二极管。

当AC电压被输入,并且V ac1-V ac2处于正周期内,Q2被接通时,Q4运行为一个有源开关,而Q3运行为一个升压二极管。

相关文档
最新文档