采用SiC MOSFET的3kW图腾柱无桥PFC和次级端稳压LLC电源
本文作者：jonathan harper 和 jason yu，来源：安森美微信公众号
节能标准和客户需求正在推动更高效率和更小尺寸的电源解决方案，对标准acdc电源进行功率因数校正 (pfc) 的要求日益普遍，通过减少谐波含量引起的电力线损耗，从而降低对交流电网基础设施的压力。而设计紧凑高效的 pfc 电源是一个复杂的开发挑战。
本文将讨论3kw pfc单相交流输入电源的设计，该电源具有超过40 w/in3的功率密度，满载效率为98.4%。表1总结了其关键性能特征，图1显示了该电源的框图。借助采用sic器件的高频pfc快桥、先进的图腾柱无桥pfc控制器，以及工作频率高达150khz的高频llc级，在输出级上通过高效率全桥同步整流，实现高功率密度。
图1.采用sic mosfet的3kw图腾柱pfc和次级端稳压llc电源
3kw电源综述——pfc级
图1的左侧显示了图腾柱无桥pfc级。在300 w超高密度电源的论文中，已对图腾柱pfc概念进行了详细说明，但为了方便起见，本文稍后将会再次介绍。该图腾柱pfc控制器为ncp1681，其可以在连续导通模式 (ccm) 和临界导通模式(crm)下运行。3kw 的高功率输出需要使用ccm 模式，以确保有效利用电感，若使用 dcm 会导致需要一个大电感且电流峰值大幅增加。
电流互感器ct1和ct2用于准确检测电流。图腾柱无桥pfc使用一个快速桥臂和一个慢速桥臂。慢速桥臂使用安森美 fch023n065s3l4 超结 mosfet，由 fan7191 隔离结半桥栅极驱动器驱动。快速桥臂使用安森美m1 650 v sic mosfet (nthl045n065sc1)，由更快速的ncp51561隔离结半桥栅极驱动器驱动。
启动时，采用由fsl538 ac-dc稳压器驱动的辅助电源，为初级端和次级端提供电源。pfc开始启动直到电压达到稳定值，在图腾柱 pfc控制器ncp1681引脚上置位pfcok信号，通过光耦合器为次级端控制器上电。
图腾柱pfc控制器ncp1681具有以下功能：
图腾柱pfc控制器必须从在正交流相位期间使用低压侧 mosfet 开关作为升压开关，改变为在负交流相位期间使用高压侧 mosfet 开关作为升压开关
图腾柱pfc控制器可以开关高压侧 mosfet 以在正交流相位期间打开boost升压电路同步整流，并开关低压侧 mosfet 以在正交流相位期间打开同步整流，从而提高效率。在轻负载时，开关mosfet 的额外损耗超过低导通损耗带来的好处，因此同步整流被停用。
图腾柱 pfc 控制器可以开关低速器件，通过设置图腾柱电路的极性可提高效率。
图腾柱 无桥pfc 控制器ncp1681能自动处理其他有关较佳死区时间和过零性能等复杂问题，详情请参见 ncp1681 数据表[1]。
图1显示 ncp1681 有六个输入端。两个连接（ac+ 和 ac-）用于确定交流线路的相位，一个连接用于测量 pfc 控制所需的总线电压。通过 cs 引脚和 zcd 引脚执行 pfc 中的电流监控。该 zcd 电流测量有助于确定临界导通模式下（频率箝位） t2 周期何时结束，也可用于过流保护。漏极电压振铃监控位于 aux 引脚上，用于确定漏极电压振铃中的最小值，从而在频率箝位临界导通模式下实现效率优化。
除控制功能外，这些引脚上检测到的电压电平和波形还用于保护和其他控制目的。例如，低压/高压和掉电保护使用 ac+ 和 ac- 引脚上测得的电压；欠压、软过压、快速过压保护和动态响应使用 fb 输入端测得的电压。
vcc 连接来自 dc-dc 转换器级。一旦 llc 控制器高压启动电路提供的能量足以启动 pfc，它就会开始工作。成功启动后，llc 变压器辅助绕组和调节器为两个控制器供电。图腾柱控制器附近的电路板上有一个热敏电阻，可在控制器中集成的过热保护功能之外，提供额外的过热保护。
此设计使用图腾柱 pfc 控制器的跳过 (skip) 或待机模式。极性指示信号显示器件检测到的是交流正半周期还是负半周期。馈入 llc 信号的 pfc ok 信号指示大电解电容上的正确电压范围。
3kw电源综述——llc级
图 2 显示用于 3 kw 高密度电源中的 llc 级。s1 和 s2 构成一个半桥。谐振桥由三个元件构成：电感lr、电容cr以及一个变压器，其匝数比为n，大磁化电感为lm。输出变压器连接到全桥配置中的四个mosfet、输出电容和负载。
图 2.具有中心抽头半桥输出级的半桥 llc 谐振转换器
此拓扑结构在正确运行时支持 s1 和 s2 的零电压开关。图 9 显示了 s1 (qup) 两端的电压和流经 s1 (qup) 电流的仿真波形。当漏极电流为负时，s1(qup) 导通，因此反向时会有传导电流（当器件导通硅mosfet 或 sic mosfet时，体二极管将导通）。与大约 400 v 的 vbus 电压相比，电压转换中只有几伏电压，这显著降低开关损耗。
图 3.llc 波形
llc 转换器的增益频率环路在 300 w 超高密度电源白皮书[2] 中有更详细的描述。
ncp4390 控制器[3]控制应用中显示的六个 mosfet。初级端 mosfet 由电隔离双半桥驱动器ncp51561直接驱动。隔离结半桥驱动器 ncp81705 驱动次级端 mosfet，其隔离电压额定值低于初级端 pfc 器件，但工作开关频率更高。我们注意到，设计中使用了四种不同的半桥驱动器，旨在满足特定的驱动要求：
低速隔离驱动 600 v；
高速隔离 600 v；
高速电隔离驱动 5 kv；
极高速隔离结驱动 180 v。
ncp4390 是一款高效电流模式控制器。在开关周期内进行电流检测并整合（详情请参阅 [3]），因此严格来说，它是一个充电模式控制器，更容易控制 llc 的动态响应。它还显著改善了负载调节性能——该控制可以补偿负载突变，无需等待电压变化和通过谐振电路做出频率响应。
3kw电源性能总结
有关电源性能的更多详细信息，请参阅我们的电源研讨会演示文稿 [4]。整体设计符合最小外形尺寸，并在宽功率范围内具有出色的能效。
图 4. 3 kw 电源性能总结
功率因数校正——连续导通模式 (ccm) / 多模式 (crm-ccm)
本小节重述了 300 w 超高密度电源白皮书中的内容，详述以 sic 解决方案取代 gan 解决方案。
图 5.桥式整流器后接单相 pfc 级
图 5 所示电路包括 4 个桥式整流二极管和 1 个升压二极管。本文介绍的 300 w 电源具有高效率的三个原因之一是采用了图腾柱拓扑，该结构去除了桥式整流器，并使用快速开关 mosfet 取代升压二极管。图腾柱拓扑去除了整流器，具体说明如下——考虑下面图 6a 中的电路。电感、电容、mosfet s1 和标记为 s2 的二极管构成了一个标准升压电路，将以正弦正半波工作。旁路二极管可防止在启动或特定异常情况下发生电感饱和。标记为 sr1 的附加二极管可在输入电压处于负相时保护电路并阻止运行——这就是标准升压电路的附加部分。
图 6b 中的电路显示了正弦负半波所需的升压电路。电感、电容、mosfet s2 和标记为 s1的二极管构成标准升压电路的反相版本，并在升压电路导通状态路径中额外配备了一个二极管 sr2。
图 6.正相和负相升压电路
图 7 显示了图 6 中的电路与图腾柱无桥 pfc 电路标准图的组合。电路中有两个二极管（sr1 和 sr2），可以用 mosfet 代替，以获得更高的效率。这些二极管在图腾柱工作期间导通，但仅在 50/60 hz 时用作开关。旁路二极管仅在启动时导通，因此使用 mosfet 代替它们没有任何好处。
图 7.采用二极管的图腾柱 pfc 电路
图 8 显示了采用高速 sic mosfet 和低速超级结 mosfet 的图腾柱 pfc 拓扑。在正半波期间，sr1 在整个周期内导通，并为图 5a 所示的同步升压电路提供接地路径。s1 在异步升压中充当升压开关，s2 在异步升压中充当二极管。同样，在负半波期间，sr2 在整个周期内导通，并为图 5b 所示的电路提供接地路径。在异步升压中，s2 充当升压开关，s1 则充当二极管。
图 8.采用 sic 和 sj mosfet 的图腾柱 pfc 电路
元件 sr1 和 sr2 在低频下开关工作；因此它们可以是低速器件。电源使用超级结 mosfet 实现此功能，并需要附加电容。如果不加电容，过零转换太快，会导致潜在的 emi 问题。如果电容太大，则 thd 性能会变差。ncp1681 控制器具有特殊的过零序列脉冲，可优化过零性能。
元件 s1 和 s2 使用 sic mosfet 实现，使用sic 是3kw电源实现高功率密度的关键因素。
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快速二极管
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图1.采用sic mosfet的3kw图腾柱pfc和次级端稳压llc电源
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图1的左侧显示了图腾柱无桥pfc级。在300 w超高密度电源的论文中，已对图腾柱pfc概念进行了详细说明，但为了方便起见，本文稍后将会再次介绍。该图腾柱pfc控制器为ncp1681，其可以在连续导通模式 (ccm) 和临界导通模式(crm)下运行。3kw 的高功率输出需要使用ccm 模式，以确保有效利用电感，若使用 dcm 会导致需要一个大电感且电流峰值大幅增加。
电流互感器ct1和ct2用于准确检测电流。图腾柱无桥pfc使用一个快速桥臂和一个慢速桥臂。慢速桥臂使用安森美 fch023n065s3l4 超结 mosfet，由 fan7191 隔离结半桥栅极驱动器驱动。快速桥臂使用安森美m1 650 v sic mosfet (nthl045n065sc1)，由更快速的ncp51561隔离结半桥栅极驱动器驱动。
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图 2 显示用于 3 kw 高密度电源中的 llc 级。s1 和 s2 构成一个半桥。谐振桥由三个元件构成：电感lr、电容cr以及一个变压器，其匝数比为n，大磁化电感为lm。输出变压器连接到全桥配置中的四个mosfet、输出电容和负载。
图 2.具有中心抽头半桥输出级的半桥 llc 谐振转换器
此拓扑结构在正确运行时支持 s1 和 s2 的零电压开关。图 9 显示了 s1 (qup) 两端的电压和流经 s1 (qup) 电流的仿真波形。当漏极电流为负时，s1(qup) 导通，因此反向时会有传导电流（当器件导通硅mosfet 或 sic mosfet时，体二极管将导通）。与大约 400 v 的 vbus 电压相比，电压转换中只有几伏电压，这显著降低开关损耗。
图 3.llc 波形
llc 转换器的增益频率环路在 300 w 超高密度电源白皮书[2] 中有更详细的描述。
ncp4390 控制器[3]控制应用中显示的六个 mosfet。初级端 mosfet 由电隔离双半桥驱动器ncp51561直接驱动。隔离结半桥驱动器 ncp81705 驱动次级端 mosfet，其隔离电压额定值低于初级端 pfc 器件，但工作开关频率更高。我们注意到，设计中使用了四种不同的半桥驱动器，旨在满足特定的驱动要求：
低速隔离驱动 600 v；
高速隔离 600 v；
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ncp4390 是一款高效电流模式控制器。在开关周期内进行电流检测并整合（详情请参阅 [3]），因此严格来说，它是一个充电模式控制器，更容易控制 llc 的动态响应。它还显著改善了负载调节性能——该控制可以补偿负载突变，无需等待电压变化和通过谐振电路做出频率响应。
3kw电源性能总结
有关电源性能的更多详细信息，请参阅我们的电源研讨会演示文稿 [4]。整体设计符合最小外形尺寸，并在宽功率范围内具有出色的能效。
图 4. 3 kw 电源性能总结
功率因数校正——连续导通模式 (ccm) / 多模式 (crm-ccm)
本小节重述了 300 w 超高密度电源白皮书中的内容，详述以 sic 解决方案取代 gan 解决方案。
图 5.桥式整流器后接单相 pfc 级
图 5 所示电路包括 4 个桥式整流二极管和 1 个升压二极管。本文介绍的 300 w 电源具有高效率的三个原因之一是采用了图腾柱拓扑，该结构去除了桥式整流器，并使用快速开关 mosfet 取代升压二极管。图腾柱拓扑去除了整流器，具体说明如下——考虑下面图 6a 中的电路。电感、电容、mosfet s1 和标记为 s2 的二极管构成了一个标准升压电路，将以正弦正半波工作。旁路二极管可防止在启动或特定异常情况下发生电感饱和。标记为 sr1 的附加二极管可在输入电压处于负相时保护电路并阻止运行——这就是标准升压电路的附加部分。
图 6b 中的电路显示了正弦负半波所需的升压电路。电感、电容、mosfet s2 和标记为 s1的二极管构成标准升压电路的反相版本，并在升压电路导通状态路径中额外配备了一个二极管 sr2。
图 6.正相和负相升压电路
图 7 显示了图 6 中的电路与图腾柱无桥 pfc 电路标准图的组合。电路中有两个二极管（sr1 和 sr2），可以用 mosfet 代替，以获得更高的效率。这些二极管在图腾柱工作期间导通，但仅在 50/60 hz 时用作开关。旁路二极管仅在启动时导通，因此使用 mosfet 代替它们没有任何好处。
图 7.采用二极管的图腾柱 pfc 电路
图 8 显示了采用高速 sic mosfet 和低速超级结 mosfet 的图腾柱 pfc 拓扑。在正半波期间，sr1 在整个周期内导通，并为图 5a 所示的同步升压电路提供接地路径。s1 在异步升压中充当升压开关，s2 在异步升压中充当二极管。同样，在负半波期间，sr2 在整个周期内导通，并为图 5b 所示的电路提供接地路径。在异步升压中，s2 充当升压开关，s1 则充当二极管。
图 8.采用 sic 和 sj mosfet 的图腾柱 pfc 电路
元件 sr1 和 sr2 在低频下开关工作；因此它们可以是低速器件。电源使用超级结 mosfet 实现此功能，并需要附加电容。如果不加电容，过零转换太快，会导致潜在的 emi 问题。如果电容太大，则 thd 性能会变差。ncp1681 控制器具有特殊的过零序列脉冲，可优化过零性能。
元件 s1 和 s2 使用 sic mosfet 实现，使用sic 是3kw电源实现高功率密度的关键因素。
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