1 媒介
最大限度地低落功率損耗，在不增加本錢(qián)的前提下提高功率密度，是現(xiàn)代高能效開(kāi)關(guān)電源面對(duì)的主要挑戰(zhàn)。開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方針是低落功率的通態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)損耗。
不顯著影響本錢(qián)和功率密度而到達(dá)優(yōu)化功率通態(tài)損耗的目標(biāo)是很難的，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)這個(gè)方針需要更多的質(zhì)料，譬喻，晶片和銅線(xiàn)面積。與通態(tài)損耗差異，低落功率開(kāi)關(guān)損耗而不會(huì)大幅提高電源本錢(qián)較量容易做到。低落功率開(kāi)關(guān)損耗有兩個(gè)主要要領(lǐng)：改造半導(dǎo)體技能的動(dòng)態(tài)特性或電路拓?fù)洹?br> 回收碳化硅和氮化鎵等質(zhì)料的新型二極管可大幅低落開(kāi)關(guān)損耗。然而，這些新產(chǎn)物的能效本錢(qián)比并不合用于公共市場(chǎng)，如臺(tái)式機(jī)電腦和處事器電源。
本文重點(diǎn)闡述的專(zhuān)利電路[1]回收軟開(kāi)關(guān)法，能效/本錢(qián)/功率密度/EMI比優(yōu)于碳化硅高壓肖特基二極管，因此切合市場(chǎng)預(yù)期。
1.1 二極管導(dǎo)通損耗
在200W～ 2000W之間的公共市場(chǎng)電源凡是需要一個(gè)持續(xù)導(dǎo)通（CCM）的功率因數(shù)校正器（PFC）。要想提高功率轉(zhuǎn)換器的功率密度，就應(yīng)該提高開(kāi)關(guān)頻率。然而，功率因數(shù)校正器的主要開(kāi)關(guān)損耗是功率開(kāi)關(guān)/整流器換向單位的損耗，提高開(kāi)關(guān)頻率意味著更高的損耗。因?yàn)镻N結(jié)二極管發(fā)生電壓電流交錯(cuò)區(qū)損耗和反向規(guī)復(fù)損耗 [2] ，如圖1.1所示，所以，主要功率損耗產(chǎn)生在功率開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通階段。

圖1 導(dǎo)通損耗與二極管范例和電流軟開(kāi)關(guān)法比擬:
(a)PN結(jié)二極管特性；(b)碳化硅和氮化鎵二極管特性；(c)電流軟開(kāi)關(guān)特性。

為低落PN結(jié)二極管整流器引起的功率損耗，最近多家半導(dǎo)體廠家推出了回收碳化硅和氮化鎵技能的高壓肖特基二極管。盡量半導(dǎo)體廠商支付盡力，可是仍然不能消除在晶體管導(dǎo)通進(jìn)程中產(chǎn)生的電流電壓交錯(cuò)區(qū)，如圖1（b）所示。與PN結(jié)二極管差異，碳化硅二極管可以或許提高dI/dt，而二極管的反向規(guī)復(fù)電流沒(méi)有提高。因此，開(kāi)關(guān)時(shí)間變小，導(dǎo)通功率損耗也跟著變小，可是不能徹底消失。當(dāng)今，為遵守EMI電磁滋擾防護(hù)尺度，在功率因數(shù)校正器設(shè)計(jì)內(nèi)，碳化硅二極管導(dǎo)通dI/dt最大值約1000A/μs，而傳統(tǒng)的PN結(jié)二極管的dI/dt值為 300A/μs。
1.2 軟導(dǎo)通法
另一種低落導(dǎo)通損耗的要領(lǐng)是利用1個(gè)軟開(kāi)關(guān)，增加1個(gè)小線(xiàn)圈L來(lái)節(jié)制dI/dt。該辦理方案，消除了在晶體管導(dǎo)通進(jìn)程中產(chǎn)生的電壓電流交錯(cuò)區(qū)和PN結(jié)二極管反向規(guī)復(fù)電流效應(yīng)，如圖1（c）所示。電流軟開(kāi)關(guān)辦理方案不是新技能，可是必需到達(dá)相關(guān)的技能尺度：
⑴ 在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期重置線(xiàn)圈L的電流（不管電流、輸入和輸出電壓如何變革）；
⑵ 無(wú)損規(guī)復(fù)線(xiàn)圈貯存的感到能量；
⑶ 抑制半導(dǎo)體器件上的任何過(guò)壓和過(guò)流應(yīng)力；
⑷ 當(dāng)增加任何器件時(shí)保持本錢(qián)不增加；
⑸ 保持相似的功率密度。
許多電路都可以分為兩大類(lèi)：有源規(guī)復(fù)電路和無(wú)源規(guī)復(fù)電路。
1.3 有源規(guī)復(fù)電路
在有源規(guī)復(fù)電路中，零電壓轉(zhuǎn)換(ZVT)電路[3]是設(shè)計(jì)人員很是熟悉的電路，如圖2所示。 這種電路可以革除導(dǎo)通功率損耗和關(guān)斷功率損耗。

圖2 ZVT有源規(guī)復(fù)電路

從理論上講，因?yàn)樗械拈_(kāi)關(guān)損耗都被消除，零電壓轉(zhuǎn)換(ZVT)是功率因數(shù)校正（PFC）應(yīng)用最抱負(fù)的拓?fù)?。另外，不管輸入和輸出功率如何變革，這種電路都能正常事情。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，升壓二極管DB的反向規(guī)復(fù)電流對(duì)零電壓轉(zhuǎn)換電路的影響很是明明，致使電感和最小占空比都受到必然水平的限制。因?yàn)樾【€(xiàn)圈L上的重置電流，D2的反向規(guī)復(fù)電流包括高應(yīng)力電壓和寄生阻尼振蕩。最后，PN結(jié)二極管的動(dòng)態(tài)特性影響零電壓轉(zhuǎn)換(ZVT)電路的總體能效，因?yàn)檫@個(gè)晶體管的導(dǎo)通時(shí)間應(yīng)該增加，并且為低落半導(dǎo)體器件蒙受的電應(yīng)力，必需增加一個(gè)有損緩沖器。
從本錢(qián)上看，零電壓轉(zhuǎn)換(ZVT)電路需要增加一個(gè)功率MOSFET開(kāi)關(guān)管和一個(gè)專(zhuān)用的PWM節(jié)制器。固然市面有多種差異的零電壓轉(zhuǎn)換(ZVT)電路，可是仍然無(wú)法降服上述技能困難，并且?jiàn)^發(fā)的本錢(qián)基礎(chǔ)不適合公共市場(chǎng)應(yīng)用。因此，無(wú)源規(guī)復(fù)電路更有吸引力。
1.4 無(wú)源規(guī)復(fù)電路
圖3所示電路是一個(gè)很好的無(wú)源規(guī)復(fù)電路示例[4]，只需別的增兩個(gè)二極管和一個(gè)諧振電容。
當(dāng)外部條件穩(wěn)定時(shí)，這個(gè)電路事情精采。不外，在功率因數(shù)校正應(yīng)用中設(shè)計(jì)這種電路難度很大。這是因?yàn)樾【€(xiàn)圈的重置電流受到升壓二極管的反向規(guī)復(fù)電流和外部電氣條件的限制。

圖3 無(wú)源規(guī)復(fù)電路