SiC 二極管在PFC 應(yīng)用中的簡(jiǎn)化損耗計(jì)算方法

朱紫陽(yáng)，王會(huì)剛，周萬(wàn)里，梁葉

（華潤(rùn)微電子研發(fā)中心，江蘇 無(wú)錫 214000）

0 引言

碳化硅二極管由于其零反向恢復(fù)電荷特性，使得在PFC 電源中可以明顯減小功率器件帶來(lái)的損耗，極大的提高電源的整機(jī)效率，因而廣泛的應(yīng)用于各類PFC 電源中[1]。由于PFC 電路的特點(diǎn)，每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的電流和占空比都不相同，傳統(tǒng)的損耗計(jì)算方法采用對(duì)整個(gè)工頻周期內(nèi)的二極管電壓電流逐一進(jìn)行積分，計(jì)算量過(guò)于龐大。同時(shí)由于示波器采樣深度的限制，記錄整個(gè)工頻周期的波形時(shí)，示波器采樣率較低，不能精確計(jì)算出二極管的損耗。本文通過(guò)對(duì)PFC 工頻周期內(nèi)的功耗關(guān)系的分析，提出了一種新型的損耗計(jì)算方法，分析二極管在單個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的損耗與整個(gè)功率周期內(nèi)損耗的關(guān)系，通過(guò)單個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的精確采樣，推算整個(gè)工頻周期內(nèi)的器件損耗。

1 SiC 二極管在PFC 應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)

由于大部分電源的設(shè)計(jì)要考慮在寬電壓輸入范圍內(nèi)（85V ～265Vac），且全功率范圍內(nèi)均能達(dá)到0.8以上的PF 值，此時(shí)無(wú)源PFC 已無(wú)法滿足要求，因此有源PFC 是必要的選擇。有源PFC 多采用升壓式電路拓?fù)洌˙oost Topology）。

從圖1 可以看到，在開關(guān)管開啟過(guò)程中，輸出二極管承受反向輸出電壓。而開關(guān)管關(guān)斷過(guò)程，輸出二極管導(dǎo)通。在PFC 輸出電壓390V，二極管正向電流分別為2.5A、10A、20A 時(shí)觀察二極管的反向恢復(fù)情況可知，傳統(tǒng)的硅二極管由于反向恢復(fù)電荷很大，使得器件自身?yè)p耗較大，同時(shí)大的反向恢復(fù)電流在開關(guān)管開啟過(guò)程中，流入開關(guān)管，導(dǎo)致開關(guān)管的開啟損耗變大。而碳化硅二極管由于零反向恢復(fù)特性，同時(shí)減小了二極管自身的損耗和開關(guān)管的損耗，因而極大提升了系統(tǒng)的效率[2]。

2 傳統(tǒng)的PFC 電路中二極管損耗分析方法

通常在分析二極管損耗時(shí)，單個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，將二極管的損耗分為4 個(gè)部分，即開啟損耗、導(dǎo)通損耗、關(guān)斷損耗和截止損耗（如圖2）。由于碳化硅二極管的截止漏電流很?。▍⒖糃REE C6D10065A，截止時(shí)漏電流為2 ～15μA，典型值），截止損耗與其他三部分損耗不在一個(gè)數(shù)量級(jí)上，因此本次計(jì)算忽略截止損耗。

而計(jì)算其他三部分損耗時(shí)，由于PFC 電路的特性，強(qiáng)制讓電流相位追隨電壓相位，因此在整個(gè)工頻周期內(nèi)，每一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的電流和占空比均不相同，需要對(duì)工頻周期內(nèi)的每一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的電壓電流波形進(jìn)行采集，然后分別按開啟、導(dǎo)通、關(guān)斷三部分分別進(jìn)行累加積分，計(jì)算量巨大。同時(shí)，示波器在同樣的記錄深度下抓取整個(gè)工頻周期內(nèi)的波形，勢(shì)必要降低采樣率（例如1Mpts 采樣深度，采到4 個(gè)工頻周期時(shí)，采樣率只能降低到25MS/s），這使得損耗計(jì)算的準(zhǔn)確性大幅降低[3-4]。

3 改進(jìn)的二極管損耗分析方法

為了提高損耗計(jì)算的效率，簡(jiǎn)化計(jì)算損耗的方法是十分必要的。為了避免進(jìn)行龐大的數(shù)據(jù)運(yùn)算，需要分析整個(gè)工頻周期內(nèi)的平均損耗與單個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的瞬時(shí)損耗之間的關(guān)系。

選取工頻周期內(nèi)輸入電壓最高點(diǎn)Vinmax的開關(guān)周期，由于PFC 強(qiáng)制電流波形追隨輸入電壓，因此這個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的電流平均值也為最大值IAVGmax。則最大輸入電壓的開關(guān)周期內(nèi)的平均二極管損耗為WAVGmax，則有：

式中：VF為二極管的正向?qū)▔航?，ton為二極管的開通時(shí)間，Vout為PFC 輸出電壓，QRR為二極管反向恢復(fù)電荷，由于SiC 二極管QRR=0，因此該項(xiàng)可忽略。根據(jù)BOOST 電路的結(jié)構(gòu)，根據(jù)電感的伏秒平衡特性，可以得到以下關(guān)系：

式中：Doff為開關(guān)管的關(guān)斷的占空比，而開關(guān)管的關(guān)斷占空比既為輸出二極管的開通占空比。因此有：

式中：T為單個(gè)開關(guān)周期的時(shí)間，將（2）、（3）代入（1）可得工頻周期內(nèi)輸入電壓最高時(shí)的開關(guān)周期損耗為：

而由于輸入電壓Vin為正弦半波（正弦波經(jīng)過(guò)整流橋變成正弦半波），因此單個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的輸入電壓：

而由于每個(gè)周期內(nèi)的平均電流在PFC 的作用下追隨輸入電壓，因此單個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的平均電流：

從而得到任意開關(guān)周期內(nèi)的二極管平均損耗：

因此，對(duì)一個(gè)工頻周期內(nèi)的所有開關(guān)周期的二極管平均損耗進(jìn)行積分，得到工頻周期內(nèi)的二極管平均損耗：

而工頻周期內(nèi)二極管的平均功耗：

公式（9）表明，整個(gè)工頻周期內(nèi)，PFC 電源中輸出SiC 二極管的平均功耗數(shù)值上等于最高輸入電壓時(shí)刻開關(guān)周期內(nèi)二極管損耗的一半，如圖3 所示（其中，藍(lán)色波形為二極管兩端電壓，紅色波形為二極管流過(guò)的電流）。因此在功耗計(jì)算的過(guò)程中，僅需計(jì)算工頻半波周期內(nèi)輸入電壓最大時(shí)的開關(guān)周期內(nèi)的功耗，即可根據(jù)上述結(jié)論推算出整個(gè)工頻半波周期內(nèi)的總功耗，相對(duì)于傳統(tǒng)的功耗計(jì)算方法做出了明顯的簡(jiǎn)化[5]。

注意，Si 二極管因?yàn)橛休^大的反向恢復(fù)電荷QRR，其由于反向恢復(fù)特性帶來(lái)的損耗部分不能忽略，因此該結(jié)論不適用于普通的Si 二極管[6]。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述結(jié)論，制作了一臺(tái)1.5kW 的升壓式PFC 電源樣機(jī)，控制芯片基于TI UCC28180，固定開關(guān)頻率116kHz，輸出電壓390V。分別在110V，60Hz交流輸入，負(fù)載功率300W、400W、500W 條件下，和220V 交流輸入，負(fù)載功率600W、800W、1kW 的情況下，對(duì)輸出SiC 二極管損耗進(jìn)行分析。樣機(jī)實(shí)物圖如圖5所示，輸出二極管采用STPSC8065D650V8A 碳化硅肖特基二極管，功耗計(jì)算采取兩種算法，算法一采用傳統(tǒng)算法，通過(guò)對(duì)整個(gè)工頻周期的二極管功耗進(jìn)行逐一積分，計(jì)算出工頻半波周期（100Hz）內(nèi)碳化硅二極管的功耗。算法二則采用本文提出的改進(jìn)型算法，計(jì)算工頻周期電流最大的單個(gè)開關(guān)周期，通過(guò)PFC 單周期與工頻周期功耗關(guān)系，計(jì)算出整個(gè)工頻半周期內(nèi)的總功耗[7]。對(duì)比算法一和算法二的功耗計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 兩種算法的功耗計(jì)算結(jié)果對(duì)比

表1 的結(jié)果可以看出，考慮到探頭的誤差，除了110V 輸入電壓，300W 負(fù)載時(shí)，其他工作條件下，兩者的計(jì)算誤差均小于10%。而300W 負(fù)載時(shí)誤差較大，為12.6%，是由于本樣機(jī)采用的主控芯片UCC28180算法基于CCM 模式，而在300W 小負(fù)載條件下，PFC會(huì)進(jìn)入DCM 工作模式，因而影響了電流采樣，進(jìn)而導(dǎo)致電流對(duì)輸入電壓的跟隨不夠精準(zhǔn)。而隨著負(fù)載功率的加大，PFC 進(jìn)入CCM 模式，誤差大幅減小，采用兩種算法計(jì)算出的功耗數(shù)據(jù)基本上一致，從而驗(yàn)證了本文算法的準(zhǔn)確性[8]。

5 結(jié)論

本文詳細(xì)地分析了PFC 電源中，輸出二極管工作電壓、電流波形關(guān)系。通過(guò)對(duì)升壓式PFC 電路的特點(diǎn)分析，得到了每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)輸出SiC 二極管的平均功耗與整個(gè)工頻半波周期內(nèi)的總平均功耗間的關(guān)系。從而可以通過(guò)精確計(jì)算最大輸入電壓時(shí)刻開關(guān)周期內(nèi)的二極管功耗來(lái)推算整個(gè)工頻半波周期內(nèi)的二極管功耗。并自制了一臺(tái)升壓式PFC 樣機(jī)，對(duì)該方法進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果證明該方法的準(zhǔn)確性。從而極大的減少了功耗計(jì)算過(guò)程中的計(jì)算量，使得功耗計(jì)算工作的效率大幅提升。