模擬芯視界 | 在 PFC 電路中使用小型升壓轉(zhuǎn)換器提高功率密度

在 2000 年，服務(wù)器前端電源管理單元 (PSU) （通過交流輸入產(chǎn)生 12V/48V 直流軌） 達(dá)到了約 10W/in3 的功率密度，峰值效率約為 85%。現(xiàn)在，許多服務(wù)器 PSU 都能夠符合 80 Plus Platinum（94% 峰值）和 80 Plus Titanium（96% 峰值）的要求，后者和超高功率密度 (>90W/in³) 現(xiàn)已成為最低要求。

服務(wù)器 PSU 之所以能實(shí)現(xiàn)較高的功率密度水平，原因之一是半導(dǎo)體行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新。新的半導(dǎo)體制造工藝減少了器件的寄生效應(yīng)并改善了品質(zhì)因數(shù)，大大改進(jìn)了功率耗散并幫助提高了功率密度。

拓?fù)浜图軜?gòu)創(chuàng)新也是 PSU 實(shí)現(xiàn)高功率密度的原因。在新服務(wù)器 PSU 的交流/直流整流器級（圖 1） 應(yīng)用圖騰柱無橋功率因數(shù)校正 (PFC) 電路以及氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC)  等寬帶隙器件，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)于其他橋式或無橋 PFC 拓?fù)涞某錾D(zhuǎn)換器效率。雖然較高效率確實(shí)能夠盡可能減少散熱所需的面積，但仍需要大容量電容器（圖 1 中的 C_BULK），以便在交流壓降后保持輸出電壓的穩(wěn)定。要使穩(wěn)壓持續(xù) 10mS 以上，一個 3kW 服務(wù)器 PSU 需要 1.3mF 以上的總電容，這會占用至少 30% 的總體空間。為進(jìn)一步提高功率密度，必須減小大容量電容。

圖 1：服務(wù)器 PSU 方框圖

本文介紹了“小型”升壓轉(zhuǎn)換器（僅在交流壓降事件期間工作的緊湊型升壓轉(zhuǎn)換器）的概念和工作原理，從而幫助減小大容量電容。采用小型升壓轉(zhuǎn)換器的 PFC 參考設(shè)計的測試結(jié)果表明，910μF 大容量電容器（相對于 1.3mF 電容器）足以在交流壓降后，在 3kW 的負(fù)載下將輸出電壓保持在 320V 以上超過 10mS。

如圖 1 所示，服務(wù)器前端 PSU 一般由兩級組成：交流/直流整流器級和隔離式直流/直流轉(zhuǎn)換器級，峰值效率目標(biāo)分別為 98.5% 以上和 97.5% 以上。為了使隔離式直流/直流級實(shí)現(xiàn)效率目標(biāo)為 97.5% 以上，隔離式直流/直流轉(zhuǎn)換器的工作輸入電壓范圍 (V_Bulk) 通常必須限制在 320V 至 410V (V_Bulk,max) 以內(nèi)。假定標(biāo)稱大容量電容器電壓 (V_Bulk,nom) 為 390V，方程式 1 計算將 3kW 保持 10mS 所需的電容為：

方程式 1

考慮到 V_Bulk 電壓紋波和電容容差，如圖 1 所示，系統(tǒng)需要一個電容超過 1.3mF 的電容器。請注意，在交流壓降后，用于保持輸出電壓的電容器能量僅占正常工作期間存儲在大容量電容器中的總能量的 32.6%。

在交流/直流整流器級與隔離式直流/直流轉(zhuǎn)換器級之間放入小型升壓轉(zhuǎn)換器級（如圖 2 所示）可以關(guān)閉旁路場效應(yīng)晶體管 (FET) 并啟用小型升壓轉(zhuǎn)換器，從而允許在交流壓降后將 C_BB 從 C_BULK 充電至 320V 以上。V_Bulk 隨后可大大低于 320V，因此在大容量電容器上將輸出電壓保持相同時間所需的電容更少。

假定在交流壓降期間，V_Bulk 可通過小型升壓轉(zhuǎn)換器降至 240V (V_Bulk,min)，使用方程式 1 得出所需的 C_BULK 為 635μF，占總電容器能量的 62%。

圖2：采用小型升壓轉(zhuǎn)換器的服務(wù)器 PSU 方框圖

雖然小型升壓轉(zhuǎn)換器會減小大容量電容器的尺寸和電容，但盡可能減少轉(zhuǎn)換器所占的空間有助于保持原有的高功率密度目標(biāo)。由于小型升壓轉(zhuǎn)換器的工作時間非常短（在交流壓降事件期間），峰值工作電流和電壓應(yīng)力（而不是持續(xù)功率耗散）將決定功率級元件的選擇。在 VBulk,min 下，電流應(yīng)力應(yīng)最大。選擇升壓二極管和金屬氧化物半導(dǎo)體 FET (MOSFET)，用于在 V_Bulk,mi（額定條件為 VBulk,max）下處理電流應(yīng)力。小型升壓電感器需要處理 VBulk,min 下的峰值電流。

方程式 2確定小型升壓電感器的電感：

方程式 2

其中 V_BB 是 C_BB 的電壓，Δi_LBB 是小型升壓電感器峰峰值紋波電流，F(xiàn)_s,BB 是小型升壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率。

由于目標(biāo)是盡可能減小電感器的占用空間，因此方程式 3 假定峰峰值紋波電流等于 V_Bulk,min 和最大輸出功率下的輸入電流的兩倍：

方程式 3

將 V_BB 穩(wěn)定到 390V，并假定 F_s,BB = 500kHz，方程式 2 計算 L_BB 為 7.385μH。

由于封裝的設(shè)計優(yōu)先級高于功率耗散，因此最好使用飽和點(diǎn)較高的電感器磁芯；對于小型升壓轉(zhuǎn)換器，鐵粉芯優(yōu)于鐵氧體磁芯。不過，鐵粉芯的軟飽和特性會使小型升壓電感器的設(shè)計有些困難。隨著電流的增加，磁芯磁導(dǎo)率會下降（電感下降），因此必須確保在方程式 2 中計算的 LBB 是 i_LBB 峰值下的電感。方程式 4 估算給定磁場下的電感：

方程式 4

其中 A_L 是電感系數(shù)（亨利/匝數(shù)²），μi% 是給定磁場下初始磁導(dǎo)率的剩余百分比，N 是應(yīng)用于電感器的匝數(shù)。

根據(jù)磁芯制造商，方程式 5 表示 μi% 與磁場之間的關(guān)系：

方程式 5

其中 a、b 和 c 是常系數(shù)，H 是磁場。

假定小型升壓電感器使用了磁性元件 0076381A7（Kool Mμ H? 磁芯），則常系數(shù) a、b 和 c 分別為 0.01、4.064?10-7 和 2.131。

根據(jù)安培定律，方程式 6 表示 H 與 N 之間的關(guān)系：

方程式 6

其中 I 是穿過繞組的電流，le 是有效磁路長度（厘米）。

方程式 2 和方程式 3 計算 L_BB，方程式 4、方程式 5 和方程式 6 將確定在給定磁場下達(dá)到電感所需的 N。 

還可以通過迭代方式估算 N。假定給定電感器的電感在特定 H 和給定電流下工作，您可以使用方程式 4、方程式 5 和方程式 6 評估計算出的 H 是否接近于假定的 H。

例如，如果您最初猜測當(dāng) I = 25A 時，H = 140Oe，電感器電感為 7.385μH，方程式 4 計算得出的 μi% 為 39.65%。然后，將方程式 2 和方程式 3 計算出的 L_BB 以及計算出的 μi% 放入方程式 4，然后得出 N 等于 20.8。 

使用方程式 6 和計算出的 N 驗證 H，會得到 H = 125.67Oe。猜測的 H 和計算的 H 之間仍有誤差，因此您可以再次猜測 H 并重新計算 H，直至誤差可忽略不計。經(jīng)過幾次迭代后，您將找到正確的匝數(shù)（工作點(diǎn)）。使用迭代方法，當(dāng) N = 18.009 時，H 等于 108.75Oe。電感在 25A 下為 7.385μH。

圖 3 顯示了德州儀器 (TI) 3.6kW 單相圖騰柱無橋 PFC 參考設(shè)計，功率密度大于 180W/in3，它使用了小型升壓轉(zhuǎn)換器。TI 的 LMG3522R030 GaN 器件具有零反向恢復(fù)電荷，可盡可能減少圖騰柱無橋 PFC 中的開關(guān)損耗。所有元件放置在小于 68mm x 121mm 封裝尺寸中，最大元件高度為 32mm。該參考設(shè)計可實(shí)現(xiàn)大于 180W/in3 的功率密度和 98.7% 的峰值效率。所選 C_BULK 是 910μF 450V 鋁電容器。 

雖然所需電容僅為 635μF，但電容低于 910μF 的可用電容器的額定紋波電流不足以處理單相 3kW PFC 生成的紋波電流。兩個 1μF 450V 陶瓷電容器用作 C_BB，很好地利用了大容量電容器下的空間。

此設(shè)計將磁性元件 0076381A7 磁芯應(yīng)用于小型升壓電感器，電感器上的線圈匝數(shù)為 23。0A 和  25A 下的電感分別為 22.75μH 和 9.1μH。9.1μH 電感允許低于 25A 目標(biāo)的峰值電流。

圖 3：功率密度大于 180W/in3 的 3.6kW 單相圖騰柱無橋 PFC 參考設(shè)計

圖 4 顯示了對 3kW PFC 參考設(shè)計中交流壓降事件的測量。當(dāng)交流電壓下降至 0V（與交流電流一樣）時，C_BULK 和 C_BB 持續(xù)向負(fù)載提供存儲的能量。當(dāng) V_Bulk 下降到 340V 時，旁路 FET 關(guān)閉，小型升壓轉(zhuǎn)換器開始工作，將 V_BB 提高至380V。小型升壓轉(zhuǎn)換器持續(xù)工作，直至 V_Bulk 下降至 240V。V_BB 保持在目標(biāo)隔離式直流/直流最小工作輸入電壓 320V 以上 14mS。

圖 4： 交流壓降事件中的波形