用于为计算应用中的功率因数校正电路选择MOSFET的新品质因数

 用于为计算应用中的功率因数校正电路选择MOSFET的新品质因数

功率因数校正 (PFC) 对输入功率不低于 75 W 的 AC-DC 转换器是一项强制要求。在某些消费应用(如 LED 照明)中,要求在低至 5 W 的功率下进行某些形式的 PFC。在低功率下,可使用为线路频率而设计的无源元件实现校正目的。但在高功率下,无源解决方案会变得相当“笨重”而昂贵;使用高开关频率有源器件可减小所需无源元件的尺寸。有源 PFC 的标准实现方式是输入整流器后跟升压转换器。

尽管新式拓扑正逐渐获得接受,但升压 PFC 仍然是主要解决方案,本文将对其进行进一步研究。

在服务器和计算机电源中,PFC 只是众多要求的一个方面。另外还存在通称为 80 Plus 的其他要求,其中包括从 Standard 80Plus 直至 Titanium 80 Plus 的不同系统效率等级,如表 1 所示。从系统效率方面的这些严格规范可以看出,为应用选择最佳器件甚至对经验丰富的设计工程师也显然是个挑战。

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<表 1. 80 Plus 效率和 PFC 认证标准。/center>

遗憾的是,常规 FOM的提出都不是为了预测设计工程师所看重的实际性能。等式中没有代表工作条件的项,如开关频率、栅极驱动,乃至输出电流或功率。而且,任何开关器件中的总损耗都是导通损耗和开关损耗之和,其中每种损耗又与 RDSON 、二极管的VFWD 以及开关电荷(如 QG QSW 和 QOSS )成比例。但是,FOM 定义始终是以这些参数之积的形式给出的。简言之,几乎所有 FOM 定义都源于器件设计而无视应用。设计工程师需要在系统层面进行损耗分析,并以之作为选择器件的基础,而非依靠这些一般公式。这样做的优点在于在选择器件时同时考虑到了工作条件和器件参数。

CCM 模式 PFC 电路中 MOSFET 的损耗计算公式

针对开关转换器的损耗分析可能相当复杂,需要大量的器件参数化数据、对电路参数的知识和复杂的数学方程式。但我们在这里的目的不是进行高精度的损耗计算,而是使这种计算方法易于为大多数设计工程师使用,使他们能够通过比较少量器件参数来选择最佳器件。

升压 FPC 的基础电路及其标准波形如图 1 所示。这里,我们在工作模式上选择连续电流模式 (CCM)。分析涵盖的功率范围为100 W(笔记本电脑交流-直流电源适配器的典型值)至 500 W(台式机“银盒”电源的典型值)。对于任何应用中的功率 MOSFET,其各项损耗如下所列:

导通—来自 RDSON
• 开关(接通)—V x I 交叉
• 开关(关断)—V x I 交叉
• 输出 COSS 的充电/放电
• 输入 CISS 的充电/放电
• 体二极管—VFWD 和 QRR。

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图 1. 基础 PFC 升压电路 (a) 及其临界和连续模式 (b) 的简化 PFC 波形。

计算实际损耗之前需要估计应用的工作参数,如峰值及 RMS 电流、输入及输出电压等。导通损耗取决于在一个输入交流周期流过MOSFET 的电流的 RMS 值。开关损耗由电感电流 IAC 的平均值决定。IAC 参数相对简单,可通过对每个交流周期的整流线路电流求平均来计算

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MOSFET 电流的 RMS 值计算起来就没有这么简单。它会在每个开关周期内变动且最好使用数值计算方式。图 2 显示了 500 WPFC 的 IAC 及 IRMS(作为 VIN 的函数)曲线。在较低输入电压时,两个值相当接近。在 100 V 交流条件下,我们可使用下式来计算 IRMS:

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知道了 RMS 电流,即可计算出导通损耗。
TCR 是 RDSON 电阻的温度系数。对于 600 V 和 650 V MOSFET,其典型值是 2.0 - 2.5。

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图 2. 500 W PFC 的 IAC 和 IRMS

图 3 显示的是关断时序的标准栅极电荷模型。在 CCM 模式下工作时,FPC MOSFET 始终根据高电压 VDC 来接通或关断。开关损耗是 VDC、IAC 和开关时间 TSWON 与 TSWOFF 的函数。如参考资料 1 中所解释的那样,漏电压的预计上升时间(以蓝色显示)跨越由 QQD 表示的整个米勒平坦区。QSW 是有效开关电荷,是 QGS 和 QGD 的组合。如果 MOSFET 是由有效恒定电流 IGON 和 IGOFF驱动,

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