基于CoolMOS? P7 600V的800W 65kHz白金服務(wù)器PFC演示板設(shè)計

在服務(wù)器電源設(shè)計領(lǐng)域，功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)至關(guān)重要。本次將為大家詳細(xì)介紹基于英飛凌科技（Infineon Technologies）器件的800W 65kHz白金服務(wù)器PFC演示板的設(shè)計與實踐結(jié)果。

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一、PFC設(shè)計基礎(chǔ)

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇

PFC的作用是使電源的輸入電流與市電電壓同步，以最大化從市電獲取的有功功率。在服務(wù)器PFC應(yīng)用中，Boost轉(zhuǎn)換器是最常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這是因為市電電壓從零到峰值（通常為375 (V{PK}) ）變化，需要升壓轉(zhuǎn)換器來提供380V DC或更高的直流總線電壓，而Buck轉(zhuǎn)換器無法滿足此需求，Buck - Boost轉(zhuǎn)換器的開關(guān)電壓應(yīng)力較高（(V{in }+V_{0}) ）。此外，Boost轉(zhuǎn)換器的輸入側(cè)有濾波電感，能提供平滑連續(xù)的輸入電流波形，更易于濾波，可降低成本并提高功率因數(shù)。

1.2 PFC工作模式

Boost轉(zhuǎn)換器有三種工作模式：連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）、不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM）和臨界導(dǎo)通模式（CrCM）。DCM操作相對簡單，可在恒定頻率下運(yùn)行，但峰值電流最高，電感中的紋波電流也最大，性能不如CrCM。CrCM可視為CCM的特殊情況，通過控制保持在CCM和DCM的邊界，通常采用恒定導(dǎo)通時間控制，工作頻率會根據(jù)市電電壓變化而變化，需要控制器檢測電感電流過零來觸發(fā)下一個開關(guān)周期。在固定開關(guān)頻率操作下，PFC的輸入電壓和輸出功率決定其工作模式，本演示板采用恒定開關(guān)頻率控制模式，以簡化輸入濾波器設(shè)計，所使用的PFC控制器可處理DCM和CCM模式，具體模式取決于輸入電壓和輸出負(fù)載條件。

二、功率級設(shè)計

2.1 規(guī)格參數(shù)

2.2 EMI濾波器

采用兩級濾波器結(jié)構(gòu)，能有效衰減差模（DM）和共模（CM）噪聲。兩個高電流CM扼流圈Lcm基于高磁導(dǎo)率環(huán)形鐵氧體磁芯，匝數(shù)分別為2 x 26 匝/ 2 x 4.76mH和2 x 28 匝/ 2 x 5.7mH，較高的匝數(shù)產(chǎn)生可觀的雜散電感，確保足夠的DM衰減。

2.3 橋式整流器

為應(yīng)對最壞情況（最大輸出功率和最小輸入電壓）進(jìn)行設(shè)計，計算輸入電流時采用94%的效率（在 (V{in }=90VAC) ）。通過相關(guān)公式計算出最大RMS輸入電流、每個二極管的最大RMS電流和平均電流，最終選擇正向壓降極低的整流器類型LVB2560，該器件在 (V{in }=265 ~V AC) 時有足夠的電壓儲備。計算得出整流器的總損耗為11.36W。

2.4 PFC扼流圈

2.5 英飛凌功率半導(dǎo)體

2.5.1 600V CoolMOS? P7

這是高電壓功率MOSFET的革命性技術(shù)，基于超結(jié)（SJ）原理設(shè)計，是CoolMOS? P6系列的繼任者。結(jié)合了快速開關(guān)SJ MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，具有極低的振鈴傾向、出色的體二極管抗硬換向能力和優(yōu)秀的ESD能力，極低的開關(guān)和導(dǎo)通損耗使開關(guān)應(yīng)用更高效、更緊湊、更涼爽。演示板采用兩個180mΩ TO - 220 MOSFET并聯(lián)，可降低在低線電壓下最高電感電流時的開關(guān)和導(dǎo)通損耗，提高熱性能。

2.5.2 快速雙通道5A非隔離低側(cè)柵極驅(qū)動器

本次選用的2EDN7524是用于低側(cè)開關(guān)的非反相快速雙通道驅(qū)動器，采用兩個真正的軌到軌輸出級，輸出阻抗低、電流能力高，具有高度靈活性，適用于多種應(yīng)用。所有輸入與LV TTL信號電平兼容，閾值電壓在電源電壓范圍內(nèi)保持恒定。為滿足快速開關(guān)應(yīng)用需求，信號延遲和上升/下降時間被最小化，兩個通道之間的延遲差異極小（典型值為1ns），采用標(biāo)準(zhǔn)PG - DSO - 8封裝。 其輸出級采用互補(bǔ)MOS晶體管實現(xiàn)軌到軌輸出，可提供典型的5A源極和漏極電流，導(dǎo)通電阻極低，源極p - MOS典型值低于0.7Ω，漏極n - MOS典型值為0.5Ω。采用p溝道源極晶體管對于實現(xiàn)真正的軌到軌行為至關(guān)重要，可避免源極跟隨器的電壓降。當(dāng)輸入浮空（ENx, Inx）或啟動、電源關(guān)閉且未超過欠壓鎖定（UVLO）閾值時，柵極驅(qū)動輸出保持低電平。UVLO功能確保只有當(dāng)電源電壓超過閾值電壓時，輸出才能切換到高電平，避免因驅(qū)動電壓過低導(dǎo)致開關(guān)晶體管無法完全導(dǎo)通而產(chǎn)生過多功耗。默認(rèn)UVLO電平設(shè)置為典型值4.2V或8V（有一定遲滯），對于高壓SJ MOSFET，使用最小有效電壓8V。

2.5.3 CoolSiC?肖特基二極管第5代

在CCM Boost轉(zhuǎn)換器中，升壓二極管的選擇至關(guān)重要。由于二極管在高電流下硬換向，反向恢復(fù)會導(dǎo)致顯著的功率損耗、噪聲和電流尖峰，成為高開關(guān)頻率和高功率密度電源的瓶頸。此外，在低線電壓下，二極管導(dǎo)通占空比低，正向電流與平均電流相比相當(dāng)高。因此，CCM Boost電路中選擇二極管的首要標(biāo)準(zhǔn)是快速恢復(fù)且反向恢復(fù)電荷低，其次是在高正向電流下的 (V{i}) 工作能力。 CoolSiC?肖特基二極管具有電容電荷 (Q{c}) ，而非反向恢復(fù)電荷 (Q_{rr}) ，其開關(guān)損耗和恢復(fù)時間遠(yuǎn)低于硅超快二極管，性能更優(yōu)，且允許更高的開關(guān)頻率設(shè)計，可實現(xiàn)更高功率密度的轉(zhuǎn)換器。SiC二極管的電容電荷不僅低，而且與di/dt、電流水平和溫度無關(guān)，這與硅二極管有很大不同。推薦用于CCM Boost應(yīng)用的是650V CoolSiC?肖特基二極管第5代，采用了擴(kuò)散焊接工藝和晶圓減薄技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，在所有負(fù)載條件下效率都有所提高。盡管SiC肖特基二極管具有高浪涌電流能力，但仍建議使用大容量預(yù)充電二極管。這是一種低頻標(biāo)準(zhǔn)二極管，具有高 (I^{2}t) 額定值，用于將大容量電容器預(yù)充電到交流線電壓的峰值，可避免高頻升壓整流二極管承受高初始浪涌電流應(yīng)力（應(yīng)通過串聯(lián)NTC限制）。通過相關(guān)公式計算出PFC二極管的適當(dāng)電流額定值，本演示板使用6A的IDH06G65C5二極管。

2.6 輸出電容器

考慮到可能出現(xiàn)的過電壓，選擇450V（低阻抗）類型的電容器。最小電容由系統(tǒng)的最小保持時間、最小允許直流母線電壓或2倍線頻交流紋波電流允許的最大電壓決定。經(jīng)過計算，選擇470μF @ 450V 30mm x 50mm的電解電容器。

2.7 散熱器和冷卻風(fēng)扇

整流器和功率半導(dǎo)體的散熱器由1mm厚的銅板制成，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速根據(jù)電路板/散熱器溫度進(jìn)行控制，有兩個速度級別，當(dāng)溫度為57°C時以低速運(yùn)行，高于79°C時提高到高速運(yùn)行。

三、ICE3PCS01G PFC控制器

ICE3PCS01G是一款用于PFC電路的14引腳控制器IC，適用于85 - 265V AC寬范圍輸入應(yīng)用，整體效率高于97%。該IC支持Boost轉(zhuǎn)換器在CCM模式下以平均電流控制方式工作，通過調(diào)節(jié) (D_{off}) 來實現(xiàn)，無需輸入電壓感應(yīng)（除了欠壓檢測）。

該IC采用級聯(lián)控制，包括內(nèi)部電流環(huán)和外部電壓環(huán)。內(nèi)部電流環(huán)控制平均輸入電流的正弦曲線，利用PWM占空比與輸入電壓的關(guān)系確定相應(yīng)的輸入電流，只要器件在CCM模式下工作，平均輸入電流就會跟隨輸入電壓。在輕載條件下，根據(jù)扼流圈電感，系統(tǒng)可能進(jìn)入DCM模式，導(dǎo)致更高的諧波，但仍滿足IEC 1000 - 3 - 2（EN 61000 - 3 - 2）的D類要求。電流檢測放大器對ISENSE信號進(jìn)行濾波和放大，并通過ICAP引腳為外部補(bǔ)償電容器提供電流環(huán)帶寬控制。外部電壓環(huán)調(diào)節(jié)輸出大容量電壓，在IC內(nèi)以數(shù)字方式實現(xiàn)，使用約3.4kHz的delta - sigma轉(zhuǎn)換器將電壓反饋信號數(shù)字化。根據(jù)負(fù)載條件，PID信號轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)牡皖l電壓，通過開關(guān)時鐘頻率產(chǎn)生的可變電壓斜坡控制電流環(huán)的幅值，并發(fā)送到PWM比較器。該電流是誤差放大器反饋電平與一些非線性塊信號處理的函數(shù)。與傳統(tǒng)OTA放大器相比，數(shù)字PID具有獨(dú)特的調(diào)節(jié)優(yōu)勢，可實現(xiàn)低諧波失真和高功率因數(shù)。自校準(zhǔn)的2倍線頻陷波濾波器可大大降低大容量電容器紋波反饋的失真影響，同時允許較高的增益，從而改善負(fù)載階躍瞬態(tài)響應(yīng)。

3.1 軟啟動

上電時，當(dāng) (V{out}) 低于額定水平的96%，內(nèi)部電壓環(huán)輸出在軟啟動控制下從初始電壓線性增加，使輸入電流從0A開始線性增加，有助于降低功率組件的電流應(yīng)力。一旦 (V{OUT}) 達(dá)到額定水平的96%，軟啟動控制解除，實現(xiàn)良好的調(diào)節(jié)和動態(tài)響應(yīng)，VB_OK引腳升至5V，表示PFC輸出電壓處于正常范圍。

3.2 開關(guān)頻率

PFC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率可通過連接在FREQ引腳和SGND之間的外部電阻RFREQ設(shè)置，F(xiàn)REQ引腳電壓通常為1V，振蕩器的對應(yīng)電容集成在器件內(nèi)，RFREQ與頻率的關(guān)系如圖所示。推薦的工作頻率范圍為21kHz - 250kHz，本演示板在FREQ引腳使用68kΩ的RFREQ，設(shè)置開關(guān)頻率（fSW）約為65kHz（典型值）。

3.3 保護(hù)功能

3.3.1 開環(huán)保護(hù)

通過一個閾值為0.5V的比較器實現(xiàn)開環(huán)保護(hù)，當(dāng)VSENSE引腳電壓低于0.5V，或 (V_{OUT}) 低于額定值的20%時，表明出現(xiàn)開環(huán)情況（即VSENSE引腳未連接），此時IC內(nèi)大部分模塊將關(guān)閉。通常大容量預(yù)充電二極管會將大容量電容充電到高于該電壓的值，因此會出現(xiàn)此電壓范圍。

3.3.2 峰值電流限制

IC提供逐周期峰值電流限制（PCL），當(dāng)ISENSE電壓達(dá)到 - 0.2V時激活。該電壓被放大 - 5倍后連接到參考電壓為1.0V的比較器，比較器后有一個200ns的消隱器，可提高該保護(hù)的抗噪能力。正常運(yùn)行時，電流檢測電阻應(yīng)設(shè)計為低于 - 0.2V的PCL。

3.3.3 IC電源UVLO

當(dāng)電源電壓 (V{CC}) 低于欠壓鎖定閾值 (V{CC, UMO}) （典型值為11V）時，IC關(guān)閉，柵極驅(qū)動內(nèi)部拉低以保持關(guān)閉狀態(tài)，電流消耗降至僅1.4mA。

3.3.4 DC母線電壓監(jiān)控和使能功能

IC通過VSENSE引腳監(jiān)控大容量電壓狀態(tài)，并輸出TTL信號以啟用PWM IC或控制浪涌繼電器。軟啟動期間，當(dāng)大容量電壓高于額定值的95%時，VB_OK引腳升至高電平。觸發(fā)低電平的閾值由VBTHL引腳上的外部可調(diào)電壓確定。當(dāng)VBTHL引腳拉低至0.5V以下時，大多數(shù)功能模塊關(guān)閉，IC進(jìn)入待機(jī)模式以降低功耗。禁用信號釋放后，IC通過軟啟動恢復(fù)。

四、ICE2QR2280Z輔助轉(zhuǎn)換器控制器

4.1 輸入和輸出要求

4.2 反激變壓器

基于EE 16/8/5帶氣隙的鐵氧體磁芯設(shè)計，水平排列骨架，總氣隙為0.2mm，選用TDK N87或等效磁芯材料。匝比選擇為184:15:15，初級變壓器反射電壓約為150V。次級繞組（S）與初級側(cè)有安全絕緣，采用三重絕緣線實現(xiàn)，其他繞組采用標(biāo)準(zhǔn)漆包線，高壓初級繞組（P1）分為4層。

4.3 開關(guān)頻率

ICE2QR2280Z是一款集成800V CoolMOS?的準(zhǔn)諧振PWM控制器，開關(guān)頻率取決于負(fù)載功率和輸入電壓，范圍在40kHz - 130kHz之間。

五、實驗結(jié)果

5.1 效率、PF和THD測量

使用“WT330”橫河數(shù)字功率計進(jìn)行效率測量，包括EMI濾波器的損耗，風(fēng)扇由外部+12V電壓源供電。分別在 (V{IN_AC }=115VAC) 和 (V{IN_AC }=230VAC) 下進(jìn)行了不同負(fù)載率的測量，結(jié)果如下：

• (V_{IN_AC }=115VAC) 時：	(P_{out_load}) (%)	(V_{IN_AC}) (V)	(I_{IN_AC}) (A)	(P_{IN}) (W)	(V_{OUT}) (V)	(I_{IN}) (A)	(P_{OUT}) (W)	(eta) (%)	PF	iTHD (%)
  10	115.36	0.71	80.81	379.9	0.20	76.39	94.53	0.986	7.81
  20	115.32	1.43	163.57	379.9	0.41	157	95.98