【導(dǎo)讀】提高電源轉(zhuǎn)換效率和功率密度一直是電源行業(yè)的首要目標(biāo)，在過去十年中，更因功率器件、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方案的發(fā)展而取得長(zhǎng)足的進(jìn)步。超結(jié)MOSFET、SiC二極管以及最新GaN FET的發(fā)展，確保了更高頻率下的更高開關(guān)效率；同時(shí)，高級(jí)拓?fù)浼捌湎鄳?yīng)控制方案的實(shí)現(xiàn)也在高速發(fā)展。因此，平衡導(dǎo)通損耗與開關(guān)損耗以實(shí)現(xiàn)最佳工作點(diǎn)，現(xiàn)在已完全可以實(shí)現(xiàn)。
但是，用于AC線電壓整流的前端二極管電橋仍然是個(gè)大問題，它阻礙了效率和功率密度的提升。高壓整流二極管的正向壓降通常約為1V。這意味著主電流路徑中的兩個(gè)二極管可能導(dǎo)致超過1％的效率損耗，尤其在低壓輸入的時(shí)候。
舉例來(lái)說，當(dāng)前最流行的效率規(guī)范之一為80 Plus規(guī)范。最高級(jí)別80 Plus鈦金牌在230VAC時(shí)要求達(dá)到96％的峰值效率，在115VAC時(shí)要求達(dá)到94％的峰值效率。當(dāng)次級(jí)DC / DC效率高達(dá)98％時(shí)，電橋?qū)⒑苋菀滓蚱涓邆鲗?dǎo)損耗而消耗PFC級(jí)的大部分效率。此外，二極管電橋還可能成為電源中最熱的部位，這不僅限制了功率密度，還給散熱設(shè)計(jì)造成了一定的困擾。
于是，越來(lái)越多人把注意力集中在如何解決這組整流橋的問題上來(lái)。解決這個(gè)問題的方向還是非常明確的，最受歡迎的兩種方案分別為雙升壓無(wú)橋PFC和圖騰柱PFC，如圖1所示。在這兩種方案中，主電流路徑中的整流二極管數(shù)量都從2個(gè)減少到1個(gè)，從而降低了整流管上的導(dǎo)通損耗。
圖1: 無(wú)橋PFC拓?fù)?/div>
目前，已經(jīng)有研究和參考設(shè)計(jì)展現(xiàn)出令人鼓舞的結(jié)果，但還尚未被消費(fèi)類市場(chǎng)大批量采用和量產(chǎn)。因?yàn)橐_發(fā)出尖端的IC解決方案，實(shí)現(xiàn)有競(jìng)爭(zhēng)力的BOM成本以及經(jīng)過驗(yàn)證的強(qiáng)健性和可靠性，還有很長(zhǎng)的路要走。雙升壓無(wú)橋PFC需要一個(gè)額外的大功率電感來(lái)抑制共模噪聲，這對(duì)成本和產(chǎn)品尺寸都是不利因素。而圖騰柱PFC通常都需要高成本的組件，例如上管驅(qū)動(dòng)器和隔離式電流采樣，并且大都需要采用DSP，或者在常規(guī)PFC控制器IC上采用大量分立組件。
實(shí)際上，我們無(wú)需等待采用無(wú)橋拓?fù)涞男滦涂刂破鱅C發(fā)展成熟，通過另一種簡(jiǎn)單快捷的替代方案，可以立即降低電橋上的功率損耗。這種方案的基本思想是用同步整流MOSFET代替兩個(gè)下管整流二極管，而其它的電源設(shè)計(jì)部分（包括所有功率級(jí)和控制器IC）均保持不變。圖2的示例中采用MPS的MP6925A對(duì)這一概念進(jìn)行了說明。MP6925A是一款僅需很少外部組件的雙通道同步整流驅(qū)動(dòng)器。
圖2: 將同步整流MOSFET用作下管電橋
MP6925A通常用于LLC轉(zhuǎn)換器。它根據(jù)對(duì)漏源電壓（VDS）的檢測(cè)主動(dòng)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)MOSFET。在設(shè)置系統(tǒng)以替換交流電橋中的下管二極管時(shí)，可采用兩個(gè)高壓JFET(QJ1 和 QJ2)在VDS檢測(cè)期間鉗位高壓。當(dāng)電流流經(jīng)MOSFET體二極管之一時(shí)，VDS上的負(fù)閾值被觸發(fā)，驅(qū)動(dòng)器導(dǎo)通相應(yīng)的MOSFET。在MOSFET導(dǎo)通期間，驅(qū)動(dòng)器會(huì)調(diào)節(jié)相應(yīng)的柵極電壓，將VDS保持在一定水平之下，直到電流過低而無(wú)法觸發(fā)VDS關(guān)斷閾值為止。圖3顯示了其典型工作波形。
a) 115VAC輸入，滿載
b) 115VAC, 20% 負(fù)載
圖3: 同步整流MOSFET典型波形
一個(gè)具備競(jìng)爭(zhēng)力的同步整流驅(qū)動(dòng)器應(yīng)當(dāng)具有非常快速的關(guān)斷功能。例如，在驅(qū)動(dòng)等效4.7nF柵極電容時(shí)，MP6925A能夠以35ns的超低延遲關(guān)斷柵極。因此，該器件可以有效防止MOSFET上出現(xiàn)任何反向電流。此外，其MOSFET還具有“防反彈邏輯”，可防止兩個(gè)MOSFET同時(shí)導(dǎo)通。該特性使整個(gè)解決方案變得非常可靠，無(wú)任何直通風(fēng)險(xiǎn)。
以下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)自120W適配器設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)采用了650V，99mΩ MOSFET作為有源開關(guān)，替代兩個(gè)整流橋下端的二極管。圖4顯示了用SR MOSFET解決方案替代二極管后效率的提升。在115VAC低壓輸入下，滿載效率提高了0.43％，這意味著總功耗可降低0.5W以上。對(duì)大多數(shù)應(yīng)用而言，這都是對(duì)性能和散熱設(shè)計(jì)的重大改善。
圖4: 120W適配器設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
采用功能強(qiáng)大的同步整流器提供有源電橋解決方案，為解決傳統(tǒng)PFC二極管電橋的高功耗問題提供了一種即時(shí)替代方案。用MOSFET代替正向壓降相對(duì)固定的橋式二極管，能夠以更低的MOSFET導(dǎo)通電阻降低傳導(dǎo)損耗。與此同時(shí)，降低功耗也簡(jiǎn)化了散熱設(shè)計(jì)。而且，相比其他復(fù)雜的無(wú)橋解決方案，該解決方案采用了只需少量外部元器件的精密IC控制器，因此在實(shí)際應(yīng)用中更具成本效益，而且隨時(shí)可用。
來(lái)源：MPS
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