功率因數(shù)校正最佳策略：如何選取合適的MOSFET？

　　導(dǎo)讀：近年來(lái)，隨著汽車(chē)、通信、能源、綠色工業(yè)等大量使用MOSFET的 行業(yè)的快速發(fā)展，功率MOSFET備受關(guān)注。MOSFET廣泛使用在模擬電路與數(shù)字電路中，對(duì)于工業(yè)市場(chǎng)而言，較高的電流會(huì)增加系統(tǒng)中的能量損耗，舉例對(duì)電力公司來(lái)說(shuō)，這會(huì)導(dǎo)致輸電過(guò)程中的過(guò)量浪費(fèi)。而要達(dá)到完全相同的輸出功率，功率因數(shù)較低的負(fù)載比功率因數(shù)較高的負(fù)載會(huì)消耗更多無(wú)功電流。所以，為功率因數(shù)校正應(yīng)用，選擇合適的MOSFET器件尤其重要。

　　功率因數(shù)是實(shí)際功率（P = 瓦特）與視在功率（VA= 伏安）之比；目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)盡可能接近1的功率因數(shù)。要達(dá)到完全相同的輸出功率，功率因數(shù)較低的負(fù)載比功率因數(shù)較高的負(fù)載會(huì)消耗更多無(wú)功電流。較高的電流會(huì)增加系統(tǒng)中的能量損耗，對(duì)電力公司來(lái)說(shuō)，這會(huì)導(dǎo)致輸電過(guò)程中的過(guò)量浪費(fèi)。為此，對(duì)于輸出功率為75 W或更高（依據(jù)EN61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)）的任何電源，圖1所示的功率因素校正 （PFC） 電路塊都是一個(gè)重要而且常常是必不可少的子系統(tǒng)。PFC電路塊用于使輸入線電流與AC電壓波形一致，且在大多數(shù)情況下將輸出電壓升高至標(biāo)準(zhǔn)的400 VDC。圖2顯示了PFC電路對(duì)線電流及其諧波電流的影響。

圖1：PFC原理圖

　　圖2A：無(wú)PFC情況下的線電壓及電流 圖2B：有PFC情況下的波形

　　在圖2A中，電流來(lái)自AC電源且只持續(xù)周期的較短時(shí)間。這導(dǎo)致較低的功率因數(shù)和115%的過(guò)量諧波電流。雖然系統(tǒng)只消耗158 W可用功率，但傳輸系統(tǒng)的相關(guān)值需要達(dá)到272 VA才能提供這一功率。圖2B顯示了使用相同輸入功率曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)PFC的優(yōu)點(diǎn)。在功率因數(shù)為99.9%的情況下，諧波電流降至3%。電流來(lái)自AC線路且持續(xù)整個(gè)周期，同時(shí)也沒(méi)有過(guò)量的VA浪費(fèi)。

　　應(yīng)當(dāng)注意的是，PFC與諧波電流減少并非同義詞。例如，在高電感性負(fù)載情況下，電流可能是滯后于電壓的完美正弦曲線。因此其將具有較低的功率因數(shù)和高無(wú)功功率，且沒(méi)有任何諧波電流。而諧波電流多的失真波形通常具有所有不良特性。PFC電路不僅能夠校正功率因數(shù)，還有助于減少諧波電流。目前，關(guān)于電子設(shè)備功率質(zhì)量有許多不同的標(biāo)準(zhǔn)。EN61000-3-2要求所有輸入功率》 75 W的系統(tǒng)減少諧波電流。80 Plus電源認(rèn)證要求功率因數(shù)達(dá)到0.9或更高。

　　在PFC電路中，MOSFET損耗約占總損耗的20%左右。通過(guò)選擇正確的器件，PFC效率能夠得到大幅提升。為PFC電路選擇合適MOSFET器件的一種方法是使用針對(duì)特定應(yīng)用的品質(zhì)因數(shù) （FOM），來(lái)最小化器件的總損耗。雖然FOM包括針對(duì)傳導(dǎo)損耗的導(dǎo)通電阻值（RDS（on）） 和針對(duì)開(kāi)關(guān)損耗的柵極電荷值 （Qg），但其并非二者的簡(jiǎn)單積。為了說(shuō)明開(kāi)關(guān)損耗，使用了該器件的Qgs和Qgd的一部分以及其輸出電容值 （Coss）。

　　標(biāo)準(zhǔn)AC/DC電源的四個(gè)級(jí)是：

　　· 輸入

　　· PFC前端

　　· 轉(zhuǎn)換器

　　· 次級(jí)

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　　為滿足80 Plus“金級(jí)”效率標(biāo)準(zhǔn)的要求，所有級(jí)的合并損耗是額定輸出功率的約12%。單純PFC MOSFET損耗應(yīng)限制到總輸出功率的約2%或封裝功率限值，（以二者中的較低者為準(zhǔn)）。“TO”封裝的最大功率損耗限值為：

　　· PowerPAK®SO-8L （5x6）： 5W

　　· PowerPAK®8x8： 7W

　　· TO-220/TO-220F： 10 W

　　· TO-247： 20W

　　· Super TO-247/Tmax： 25W

　　因此，由傳導(dǎo)損耗和開(kāi)關(guān)損耗構(gòu)成的最大封裝功率限值不應(yīng)超過(guò)上述水平。傳導(dǎo)損耗用公式I2*R來(lái)計(jì)算，其中考慮到了器件的RDS（on）以及其溫度系數(shù)。開(kāi)關(guān)損耗不僅需要考慮Qg、Qgd和Qgs，還需要考慮Qoss，Qoss是Coss的積分函數(shù)。

　　傳統(tǒng)的FOM，即RDS（on）（典型值）*Qg（典型值）并不考慮器件的Coss/Qoss，但這是一個(gè)非常重要的損耗，特別是在開(kāi)關(guān)損耗大于傳導(dǎo)損耗的輕負(fù)載情況下。開(kāi)關(guān)損耗的這一成分是在充電（當(dāng)器件斷電時(shí)）和放電（當(dāng)器件通電時(shí)）情況下產(chǎn)生的，必需在設(shè)計(jì)中加以考慮。Coss/Qoss越大，開(kāi)關(guān)損耗就越大。此外，Qoss損耗是固定的并且獨(dú)立于負(fù)載，這一點(diǎn)可從標(biāo)準(zhǔn)公式Poss = ½ CV2 x Fsw中看出，其中Fsw是開(kāi)關(guān)頻率。

　　在通用輸入電源中，PFC MOSFET始終受到380 VDC至400 VDC的主體 （bulk） DC總線電壓的限制。因此，輸出開(kāi)關(guān)損耗有可能在總損耗中占相當(dāng)大的比例。高壓MOSFET （HVM）的Coss隨著所施加的VDS的不同而有相當(dāng)大的變化。為說(shuō)明輸出電容器的非線性，可以使用Poss = ½ Coer x V2 x Fsw作為損耗計(jì)算公式。Coer是由產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)提供的有效電容，與MOSFET的集成Coss具有相同的存儲(chǔ)能量和相同的損耗。所以，新FOM現(xiàn)在為Rds（on）（典型值） * （Qswitch （典型值） + Qoss），其中Qswitch是Qgd和Qgs的組合。

　　例如，我們使用一個(gè)最大封裝功率損耗為8 W且對(duì)傳導(dǎo)損耗和開(kāi)關(guān)損耗的貢獻(xiàn)各為4 W的TO-220 / TO-220F器件。這樣Coss/Qoss損耗將占到總封裝損耗的約20%，或總開(kāi)關(guān)損耗的約40%，這是標(biāo)準(zhǔn)FOM公式?jīng)]有加以考慮的一個(gè)較大損耗。

　　由于有許多可用封裝選項(xiàng)，所以表1列出了針對(duì)不同封裝的最大功率額定值。請(qǐng)注意，每種封裝都有一系列器件可供選用，所以有可能對(duì)廣泛的輸出功率推薦相同的封裝。為了實(shí)現(xiàn)SMT封裝（如PowerPAK®SO-8L （5x6） 和PowerPAK®8x8）的最大可能功率耗散，有必要將PCB溫度保持在最壞條件下的應(yīng)用要求值。建議最大額定值因此受到系統(tǒng)熱考慮事項(xiàng)而非封裝損耗的限制。

　
表1：各封裝類型下的最大功率級(jí)

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