為功率因數(shù)校正應(yīng)用選擇合適的MOSFET

Vishay Siliconix 設(shè)計(jì)和生產(chǎn)面向工業(yè)、可再生能源、計(jì)算、消費(fèi)及照明市場(chǎng)的高壓 MOSFET（HVM）。我們擁有電壓范圍為 50 V 至 1000 V 的廣泛器件，其中采用我們最新超結(jié)技術(shù)的器件的電壓范圍為 500 V 至 650 V 。本設(shè)計(jì)指南的目的是幫助設(shè)計(jì)工程師在其功率因數(shù)校正（PFC）設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)盡可能高的 MOSFET 效率。

功率因數(shù)校正設(shè)計(jì)
如圖 1 所示的 PFC 校正電路塊是一個(gè)重要子系統(tǒng)，在許多情況下是輸出功率不低于 65 W 的電源的必備子系統(tǒng)（依據(jù) EN61000-3-2）。該電路用于使輸入線路電流與 AC 電壓波形相配，在大多數(shù)情況下使輸出電壓上升至常見(jiàn)的 400 VDC。

圖 1：功率因數(shù)校正原理圖

“功率因數(shù)”為實(shí)際功率（P = 瓦特）與表觀功率（VA = 伏安）的比率。這方面的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)盡可能接近于 1 的單位功率因數(shù)。對(duì)于完全相同的輸出功率，低功率因數(shù)負(fù)載比高功率因數(shù)負(fù)載會(huì)消耗更多無(wú)功電流。較低功率因數(shù)設(shè)計(jì)的較大電流會(huì)增加系統(tǒng)的能量損失，造成電力公司在輸電過(guò)程中浪費(fèi)大量電能。圖 1a 和 1b 顯示了 PFC 對(duì)線路電流及其諧波的影響。

圖 1a. 沒(méi)有 PFC 電路的線路電壓和電流 ? ? ?1b. 具有 PFC 電路的波形

在沒(méi)有 PFC 的圖 1a 中，電流只在周期的短時(shí)間期間來(lái)自 AC 電源。這導(dǎo)致較差的功率因數(shù)和高達(dá) 115 %的過(guò)多諧波。雖然系統(tǒng)只使用了 158 W 可用功率，但輸電系統(tǒng)為提供它卻消耗了 272 伏安。圖 2a 顯示了在相同線路上實(shí)施 PFC 的好處。這時(shí)功率因數(shù)為 99.9 %，諧波降至 3 %。電流在整個(gè)周期中都來(lái)自 AC 線路，沒(méi)有浪費(fèi)過(guò)多 VA 成分。

可以注意到，功率因數(shù)校正和諧波電流下降并非同義詞。例如，在高度電感性負(fù)載中，電流可能以完美正弦波形滯后于電壓。這會(huì)導(dǎo)致較差的功率因數(shù)和高無(wú)功功率，沒(méi)有任何諧波。而諧波電流豐富的失真波形通常具有所有不合需要的特性。PFC 電路不只校正功率因數(shù)，還降低諧波電流。

目前，有多種不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電子設(shè)備所用電力的質(zhì)量。EN61000-3-2 要求輸入功率大于 75 W 的所有系統(tǒng)都要降低諧波電流。80 Plus 電流認(rèn)證要求功率因數(shù)為 0.9 或更高。

在 PFC 電路中，MOSFET 的損耗占總損耗的約 15 %至 20 %。在使用校正器件后，PFC 效率可實(shí)現(xiàn)總共 0.33 %增加（表 1）。在 500 W 輸出功率下，計(jì)算結(jié)果是 MOSFET 功率損耗可減小 2 W。

表 1：基于總 PFC 功率損耗的 MOSFET 損耗計(jì)算

Vishay Siliconix 針對(duì)規(guī)定的工作條件和 5 W 至 1000 W 輸出功率級(jí)編制了最重要的兩種 600 V 和 650 V 器件的列表，以幫助設(shè)計(jì)工程師在 PFC 設(shè)計(jì)中選擇最合適的 MOSFET。表 2 列出了規(guī)定的工作條件，表 4 列出了每種功率級(jí)的最重要兩種 E 系列超結(jié)技術(shù)器件。雖然主要標(biāo)準(zhǔn)是效率，但表中提供了不止一種器件選擇，以滿足成本、封裝或更高電壓降額等其他要求。

PFC 設(shè)計(jì)開發(fā)使用的 MOSFET 器件列表
表 4 中的器件是使用針對(duì)新應(yīng)用的品質(zhì)因數(shù)（FOM）而選擇的，該品質(zhì)因數(shù)側(cè)重于最大限度減小器件的總損耗。雖然包括針對(duì)導(dǎo)電損耗的導(dǎo)通電阻（RDS(on)）和針對(duì)開關(guān)損耗的柵電荷（Qg），但 FOM 并非簡(jiǎn)單的二者之積。為說(shuō)明開關(guān)損耗，使用了器件的 Qgs 和 Qgd 的一部分及其輸出容值（Coss）。選擇最合適的器件時(shí)使用了以下工作條件（參見(jiàn)表 2）。

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表 2：功率因數(shù)校正設(shè)計(jì)條件

推薦器件的列表在“封裝”位置包括一個(gè)“x”。在相同電氣特征下，每種器件有許多可選封裝。實(shí)際使用的封裝取決于功率級(jí)和允許的 MOSFET 占位面積。圖 2 定義了不同零件號(hào)的封裝、額定電流、電壓和器件技術(shù)

定義：Vishay 高壓 MOSFET 零件號(hào)：SiHxDDNFFGG

圖 2：零件號(hào)定義

對(duì)于提供的許多封裝選項(xiàng)，表 3 列出了不同封裝的建議最大額定功率。
基于封裝類型的推薦功率等級(jí)

表 3：基于封裝類型的最大功率級(jí)

注：
* 如果使用散熱性能增強(qiáng)的多層 PCB，則該封裝可在更高功率級(jí)下使用。

** 如果使用交錯(cuò)式（interleaved）PFC 設(shè)計(jì)，則輸出功率最大可達(dá) 750 W（使用兩個(gè) TO-220）。在非交錯(cuò)式設(shè)計(jì)中并聯(lián)兩個(gè) TO-220 或 TO-220F 允許最大 750 W。

結(jié)合設(shè)計(jì)條件、器件零件號(hào)含義和每種封裝類型的最大建議值，表 4 顯示了針對(duì)不同功率級(jí)的相應(yīng)器件。

該列表顯示了許多不同器件。設(shè)計(jì)工程師可按照電壓、效率或價(jià)格來(lái)挑選最適合自己應(yīng)用的器件。

功率因數(shù)校正 MOSFET 選型指南

表 4：基于 PFC 輸出功率級(jí)的器件選型工具

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帶有“x”的器件可使用多種封裝；帶有“G”的器件必須使用 TO-247 封裝。

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