氮化镓功率器件及其应用(三)—TI氮化镓器件在无桥PFC设计中的应用(上)

针对这个氮化镓在高压

就是 AC 到 DC 的这个应用

TI 也有相应的这个器件和相应的这些 Solution

TI 之前有做了一个氮化镓在 Totem-Pole 无桥 PFC 当中的应用

下面我们介绍一下这个大概的一个情况

现在 AC/DC 的话基本上有一些这个能效的要求

或者说是有一些效率等级的要求

从最早的 80+

然后一直到现在的白金级

包括钛金级

甚至现在有一些新的一些标准

比现有的要求还要更高一些

它对于这个低压输入、高压输入

在不同的负载段 10%、20% 到 100% 的负载段

它都会有具体的效率指标要求

最新的比如说这个钛金级的在输出 10% 的负载的话

要求效率在 90

在 20 以上的负载的话要 92%

在 50% 以上的负载需要转移效率 94%

对于这个新的效率要求

换句话说我们有两级

第一级是 PFC

第二级是 DC/DC

要满足这个要求

通常 DC/DC 的话都是用这个谐振半桥

用这个 LLC 的方式来实现

我们可以基本上可以假定认为就是说在 LLC 的效率

比如说现在能够做到 97.5% 或者是 98%

在这个基础上

我们对 PFC 的这个效率要求有更进一步的这个提升

因为最终两个相乘之后才能够满足整机的效率指标要求

在这个最新的要满足钛金级的效率要求

基本上就是说无桥的这种拓扑

大部分的情况下都是需要用到的

针对这个钛金级的这个效率要求

这个是比较早的

传统的这个无桥的 PFC

这个结构就是实际上是相当于是两个 PFC

正半周是这个工作

负半周是这个工作

那么这两个管子呢

其中只有两个管子是在一个是在正半周导通

另外一个在负半周导通

这种方式相对来说比较简单

效率也会好一些

但是它的器件数量相对比较多

成本包括它的尺寸都会大一些

现在比较新一点

或者说现在主要用的这个无桥 PFC

大部分是这个 Totem-Pole 的无桥 PFC

那么它大概上的结构是这样的

就是说这两个管子作为这个 PFC 的开关管

这两个管子作为工作的正半周或者负半周的管子

这种模式就是

这个管子和这个管子是互为开关管

和输出的 PFC 的输出二极管

在这种工作模式下

通常我们要求要工作在 DCM

或者说是工作在这个临界导通模式

保证这个 MOS 上面它是在关断的时候

或者说在它作为二极管的时候

它没有反向恢复

会影响到它的这个正常工作

像这样的应用通常比较适合用 MOS 做功率比较小

大概 300W 的样子这种场合

PFC 大概现在一个趋势

或者说是一个大致的发展方向的话

就是说第一个在这个功率比较小的

通常是用 ZVS 的或者用 DC/DC 的这种方式来工作

一般是在 300W 左右

通常是变频的控制模式

有两相的 Interleave 或者是

其他的这个优化轻载效率的方式

比较适合于 MOS 管的这种工作

另外一个就是我们现在接下来要讲的

Totem-Pole 的无桥 PFC

可以同时工作在 ZCD

也可以工作在这个 CCM 的模式

在轻载的情况下

我们可以让它工作在这个 ZCD 的方式

在重载可以让它工作在这个 CCM 的这个方式

现在的高压的这个氮化镓通常有两种结构

这个是第一个级联的结构

级联结构它有一些优势

就是说第一个它成本相对会比较低一些

它的 Perfermance 会比传统的这个高压 MOS 也好很多

然后它的驱动信号和以往的 MOS 管的驱动

基本上是兼容的

相对来说它的体二极管的这个 VF 也会比较低

但是它有一个缺点同时也比较明显

就是说它还是有这个反向恢复

尤其是用在作为这个

高压 PFC 输出整流管的位置上的时候

这个体 二极管所带来的反向恢复

会影响到它这个正常的工作

或者说是会带来比较大的损耗

TI 现在用的是这种模式的氮化镓 MOS

专门要给氮化镓做一个 driver 在里面

相对来说它的成本会高一些

它的电路比这个级联的模式要复杂一些

但是它的优点也非常明显

就是没有这个反向恢复过程

Qg 相对小得很多

我们可以把频率做得很高

比较适合于这种高频快速的这个工作模式

接下来我们看一下这个无桥 PFC 的这个电路结构

这个是采用 TI 的这个氮化镓模块

作为这个输出 PFC 的工作管和输出整流管

工作在 Totem-Pole 的无桥 PFC 这种模式下

我们可以看到这两个管子是作为工频的

应该说是续流管或者说是整流管

这两个管子的动作

是按照 60HZ 或者是 50HZ 的这个工频来动作的

这两个管子是根据这个 PFC 的工作状态

以高频来进行工作的

我们可以看到

就是说在正半周的时候

从这个 L 线通过这个电感

然后再通过这个 PFC 的功率电感

这个开关管打开

在通过再这个下面的这个 MOS 再流回N线

这个是第一个工作周期

在下一个工作周期

我们看到这样的这个功率环路

在这个管子关断之后

这个管子输出电流到我的输出电容和我的负载端

在通过这个 MOS 再流回到N线

相应的负半周我们可以看到负半周的话

就刚好就是反过来的

这个管子是开关管

这个管子作为整流管

这个就是说

在氮化镓工作在 PFC 的这个结构里面的时候

会有另外一个问题

就是说氮化镓本身是没有体二极管的

但是它工作在切换的时候

它有一个相当于这个体二极管的这样过渡过程

但是这个过渡过程所带来这个 VF 相当的高

这个 VF 一般大概在 5V 到 6V

我们在使用的时候

尽可能的让它工作在就是说理想二极管的这个模式

换句说尽可能减少这个死区的时间

让整个的这个效率包括管子的发热都会好的多

如果我们要让这个主开关管和这个同步管

工作在这个类似像理想二极管这样的模式

我们需要非常准确地控制这个主管和副管的这个死区时间

对于氮化镓来说

有一点非常好的就是说

我的输出的这个等效电容

其实它随电压的变化基本上不大

你可以认为它是一个线性的

我们就可以根据我们的这个电流的峰值

包括我的这个输入电容

包括电压来计算

或者是准确地预测到我的这个需要的延迟时间

可以根据我的负载来调整这个死区时间

让这个整流管准确地工作

在这种类似像理想二极管这种工作模态

我们可以同时得到第一个效率的提升

第二个避免这个反向恢复的这个问题

在以往的这个控制模式

通常是在工作 DCM 或者用 ZCD 的方式来进行控制

但是如果我们的这个 PFC 从轻载增加到重载

它很快会进到 CCM

然后再切换到 DCM

负载在减小切回来的时候

这个时候就会通常的话

这个控制就会影响到这个同步管的工作

甚至就是说它基本上是有一点点这种直通的这种过程

我们接下来的话就有一个推荐电路

就是说我们可以根据这个检测到这个电流信号

来准确的来控制这个同步管的开通和关断时间

让它工作在这个理想二极管模式

这个 3138 整个的一个控制的一个原理图

大概的框架是这样的

就是说从 ADC 来检测输入线的 L 线和 N 线电压

包括输入的 AC 电流

来给出两个 MOS 管的零点切换的这个控制信号

PFC 这一级控制这个上管

就是应该说一个是主管一个是同步管

通过这个输出环路来稳定输出电压

对于这个 ZCD 的切换

我们可以通过检测这个电感上的 ZCD 信号

通过比较器

通过这个内部的数字电路

每个周波准确地控制这个副管的这个工作时间

或者说是设定这个死区时间

让它工作在类似像这种理想二极管的这个工作模态

针对这个氮化镓在高压

就是 AC 到 DC 的这个应用

TI 也有相应的这个器件和相应的这些 Solution

TI 之前有做了一个氮化镓在 Totem-Pole 无桥 PFC 当中的应用

下面我们介绍一下这个大概的一个情况

现在 AC/DC 的话基本上有一些这个能效的要求

或者说是有一些效率等级的要求

从最早的 80+

然后一直到现在的白金级

包括钛金级

甚至现在有一些新的一些标准

比现有的要求还要更高一些

它对于这个低压输入、高压输入

在不同的负载段 10%、20% 到 100% 的负载段

它都会有具体的效率指标要求

最新的比如说这个钛金级的在输出 10% 的负载的话

要求效率在 90

在 20 以上的负载的话要 92%

在 50% 以上的负载需要转移效率 94%

对于这个新的效率要求

换句话说我们有两级

第一级是 PFC

第二级是 DC/DC

要满足这个要求

通常 DC/DC 的话都是用这个谐振半桥

用这个 LLC 的方式来实现

我们可以基本上可以假定认为就是说在 LLC 的效率

比如说现在能够做到 97.5% 或者是 98%

在这个基础上

我们对 PFC 的这个效率要求有更进一步的这个提升

因为最终两个相乘之后才能够满足整机的效率指标要求

在这个最新的要满足钛金级的效率要求

基本上就是说无桥的这种拓扑

大部分的情况下都是需要用到的

针对这个钛金级的这个效率要求

这个是比较早的

传统的这个无桥的 PFC

这个结构就是实际上是相当于是两个 PFC

正半周是这个工作

负半周是这个工作

那么这两个管子呢

其中只有两个管子是在一个是在正半周导通

另外一个在负半周导通

这种方式相对来说比较简单

效率也会好一些

但是它的器件数量相对比较多

成本包括它的尺寸都会大一些

现在比较新一点

或者说现在主要用的这个无桥 PFC

大部分是这个 Totem-Pole 的无桥 PFC

那么它大概上的结构是这样的

就是说这两个管子作为这个 PFC 的开关管

这两个管子作为工作的正半周或者负半周的管子

这种模式就是

这个管子和这个管子是互为开关管

和输出的 PFC 的输出二极管

在这种工作模式下

通常我们要求要工作在 DCM

或者说是工作在这个临界导通模式

保证这个 MOS 上面它是在关断的时候

或者说在它作为二极管的时候

它没有反向恢复

会影响到它的这个正常工作

像这样的应用通常比较适合用 MOS 做功率比较小

大概 300W 的样子这种场合

PFC 大概现在一个趋势

或者说是一个大致的发展方向的话

就是说第一个在这个功率比较小的

通常是用 ZVS 的或者用 DC/DC 的这种方式来工作

一般是在 300W 左右

通常是变频的控制模式

有两相的 Interleave 或者是

其他的这个优化轻载效率的方式

比较适合于 MOS 管的这种工作

另外一个就是我们现在接下来要讲的

Totem-Pole 的无桥 PFC

可以同时工作在 ZCD

也可以工作在这个 CCM 的模式

在轻载的情况下

我们可以让它工作在这个 ZCD 的方式

在重载可以让它工作在这个 CCM 的这个方式

现在的高压的这个氮化镓通常有两种结构

这个是第一个级联的结构

级联结构它有一些优势

就是说第一个它成本相对会比较低一些

它的 Perfermance 会比传统的这个高压 MOS 也好很多

然后它的驱动信号和以往的 MOS 管的驱动

基本上是兼容的

相对来说它的体二极管的这个 VF 也会比较低

但是它有一个缺点同时也比较明显

就是说它还是有这个反向恢复

尤其是用在作为这个

高压 PFC 输出整流管的位置上的时候

这个体 二极管所带来的反向恢复

会影响到它这个正常的工作

或者说是会带来比较大的损耗

TI 现在用的是这种模式的氮化镓 MOS

专门要给氮化镓做一个 driver 在里面

相对来说它的成本会高一些

它的电路比这个级联的模式要复杂一些

但是它的优点也非常明显

就是没有这个反向恢复过程

Qg 相对小得很多

我们可以把频率做得很高

比较适合于这种高频快速的这个工作模式

接下来我们看一下这个无桥 PFC 的这个电路结构

这个是采用 TI 的这个氮化镓模块

作为这个输出 PFC 的工作管和输出整流管

工作在 Totem-Pole 的无桥 PFC 这种模式下

我们可以看到这两个管子是作为工频的

应该说是续流管或者说是整流管

这两个管子的动作

是按照 60HZ 或者是 50HZ 的这个工频来动作的

这两个管子是根据这个 PFC 的工作状态

以高频来进行工作的

我们可以看到

就是说在正半周的时候

从这个 L 线通过这个电感

然后再通过这个 PFC 的功率电感

这个开关管打开

在通过再这个下面的这个 MOS 再流回N线

这个是第一个工作周期

在下一个工作周期

我们看到这样的这个功率环路

在这个管子关断之后

这个管子输出电流到我的输出电容和我的负载端

在通过这个 MOS 再流回到N线

相应的负半周我们可以看到负半周的话

就刚好就是反过来的

这个管子是开关管

这个管子作为整流管

这个就是说

在氮化镓工作在 PFC 的这个结构里面的时候

会有另外一个问题

就是说氮化镓本身是没有体二极管的

但是它工作在切换的时候

它有一个相当于这个体二极管的这样过渡过程

但是这个过渡过程所带来这个 VF 相当的高

这个 VF 一般大概在 5V 到 6V

我们在使用的时候

尽可能的让它工作在就是说理想二极管的这个模式

换句说尽可能减少这个死区的时间

让整个的这个效率包括管子的发热都会好的多

如果我们要让这个主开关管和这个同步管

工作在这个类似像理想二极管这样的模式

我们需要非常准确地控制这个主管和副管的这个死区时间

对于氮化镓来说

有一点非常好的就是说

我的输出的这个等效电容

其实它随电压的变化基本上不大

你可以认为它是一个线性的

我们就可以根据我们的这个电流的峰值

包括我的这个输入电容

包括电压来计算

或者是准确地预测到我的这个需要的延迟时间

可以根据我的负载来调整这个死区时间

让这个整流管准确地工作

在这种类似像理想二极管这种工作模态

我们可以同时得到第一个效率的提升

第二个避免这个反向恢复的这个问题

在以往的这个控制模式

通常是在工作 DCM 或者用 ZCD 的方式来进行控制

但是如果我们的这个 PFC 从轻载增加到重载

它很快会进到 CCM

然后再切换到 DCM

负载在减小切回来的时候

这个时候就会通常的话

这个控制就会影响到这个同步管的工作

甚至就是说它基本上是有一点点这种直通的这种过程

我们接下来的话就有一个推荐电路

就是说我们可以根据这个检测到这个电流信号

来准确的来控制这个同步管的开通和关断时间

让它工作在这个理想二极管模式

这个 3138 整个的一个控制的一个原理图

大概的框架是这样的

就是说从 ADC 来检测输入线的 L 线和 N 线电压

包括输入的 AC 电流

来给出两个 MOS 管的零点切换的这个控制信号

PFC 这一级控制这个上管

就是应该说一个是主管一个是同步管

通过这个输出环路来稳定输出电压

对于这个 ZCD 的切换

我们可以通过检测这个电感上的 ZCD 信号

通过比较器

通过这个内部的数字电路

每个周波准确地控制这个副管的这个工作时间

或者说是设定这个死区时间

让它工作在类似像这种理想二极管的这个工作模态