隨著汽車市場電氣化時(shí)代的到來，對(duì)電池充電器的需求越來越大。通過簡單的公式可以知道，功率越大，充電時(shí)間就越短。本文考慮的是三相電源，其所能提供的功率最高為單相電源的3 倍。

這里提及的三相 PFC 板是基于碳化硅 MOSFET 的車載充電器系統(tǒng)第一級(jí)的示例，它會(huì)提高系統(tǒng)效率并減少 BOM 內(nèi)容。開發(fā) PFC 板的主要目的是方便訪問不同設(shè)備，從而為測試階段和測量提供便利;外形尺寸優(yōu)化從來不是 EVB 的目標(biāo)。三相維也納PFC，作為一種三電平PWM整流器拓?fù)?，旨在?yōu)化電源系統(tǒng)的效能和功率因數(shù)。其設(shè)計(jì)巧妙，減少了所需的開關(guān)器件數(shù)量，使得單個(gè)功率器件所承受的最大電壓僅為輸出母線電壓的一半。此外，該拓?fù)錈o需設(shè)置驅(qū)動(dòng)死區(qū)時(shí)間，從而避免了橋臂直通的問題，進(jìn)一步拓寬了其應(yīng)用范圍。維也納PFC整流器的主要構(gòu)成包括6個(gè)絕緣柵型晶體管(IGBT)和12個(gè)快恢復(fù)二極管(FRD)。在這些器件中，所有IGBT和FRD均以硬開關(guān)方式工作，其開關(guān)損耗可通過開通能量Eon和關(guān)斷能量Eoff來計(jì)算。同時(shí)，我們也需要考慮器件的導(dǎo)通損耗，這可以通過計(jì)算導(dǎo)通電流與器件飽和(通態(tài))電壓來得出。

?PFC(功率因數(shù)校正)電路的開關(guān)頻率?是指PFC電路中開關(guān)元件(如MOSFET或IGBT)的開關(guān)動(dòng)作頻率。開關(guān)頻率的選擇對(duì)PFC電路的性能和效率有重要影響。開關(guān)頻率對(duì)PFC電路性能的影響，效率?：較高的開關(guān)頻率可以減小電感體積，但會(huì)增加開關(guān)損耗，從而影響整體效率。通常，開關(guān)頻率在幾十kHz到幾百kHz之間較為常見?1。?電磁干擾(EMI)?：開關(guān)頻率越高，產(chǎn)生的電磁干擾也越大。因此，需要在設(shè)計(jì)和應(yīng)用中采取適當(dāng)?shù)臑V波措施來減少EMI?2。成本和可靠性?：高頻開關(guān)會(huì)增加開關(guān)器件的應(yīng)力，可能導(dǎo)致更高的溫度和更快的器件老化，從而影響系統(tǒng)的可靠性和壽命?。

在實(shí)際應(yīng)用中，PFC電路的開關(guān)頻率通常在幾十kHz到幾百kHz之間。例如，某些PFC控制芯片支持最高540KHz的開關(guān)頻率，可以搭配氮化鎵開關(guān)管和碳化硅二極管，通過高頻率減小電感體積，實(shí)現(xiàn)高頻率小體積的升壓PFC電路?1。此外，多模式PFC控制中，開關(guān)頻率的限制也是一個(gè)重要考慮因素，通常限制在40K~100KHz之間，以避免過低或過高的頻率帶來的問題?3。

硅基功率器件(如IGBT)的性能已逼近物理極限，而碳化硅作為第三代半導(dǎo)體材料，具有禁帶寬度大(3.3eV)、擊穿場強(qiáng)高(10倍于硅)、熱導(dǎo)率高等特性，可顯著提升電力電子系統(tǒng)的效率、功率密度和可靠性。功率器件是電力電子系統(tǒng)的“心臟”，但高端市場長期被歐美日企業(yè)壟斷。碳化硅技術(shù)被全球視為下一代功率器件的制高點(diǎn)，中國若不能突破，將在新能源汽車、智能電網(wǎng)、航天等戰(zhàn)略領(lǐng)域受制于人。國產(chǎn)碳化硅器件比如BASiC基本股份(BASiC Semiconductor)的成功研發(fā)標(biāo)志著中國在關(guān)鍵技術(shù)上實(shí)現(xiàn)“從0到1”的突破，為自主供應(yīng)鏈奠定了基礎(chǔ)。

中國“十四五”規(guī)劃將第三代半導(dǎo)體列為重點(diǎn)發(fā)展方向，疊加新能源汽車、光伏、軌道交通等領(lǐng)域?qū)Ω咝芷骷男枨蠹ぴ觯蓟璧氖袌鲆?guī)模預(yù)計(jì)未來五年將保持30%以上的年增速。國產(chǎn)廠商比如BASiC基本股份(BASiC Semiconductor)在這一窗口期搶占技術(shù)高地，將重塑全球產(chǎn)業(yè)鏈格局。國產(chǎn)碳化硅器件比如BASiC基本股份(BASiC Semiconductor)的突破(如抗輻射、高壓特性)減少了進(jìn)口依賴，自主可控的供應(yīng)鏈可避免“卡脖子”風(fēng)險(xiǎn).

碳化硅的高頻特性支持更高效的電能轉(zhuǎn)換，例如新能源汽車的電機(jī)控制器采用碳化硅模塊比如BASiC基本股份(BASiC Semiconductor)后，續(xù)航可提升5%-10%，充電速度提高3倍。這一技術(shù)將加速傳統(tǒng)硅基器件的替代，推動(dòng)電力電子系統(tǒng)向小型化、高集成度方向演進(jìn)。

中國碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈已形成從材料(襯底、外延)到器件(MOSFET、SBD)的初步布局。盡管國際巨頭仍占據(jù)主導(dǎo)，但國產(chǎn)IDM廠商(如BASiC基本股份 BASiC Semiconductor)通過技術(shù)迭代和成本優(yōu)化，部分產(chǎn)品(如BASiC基本股份碳化硅MOSFET模塊)已與進(jìn)口IGBT模塊價(jià)格持平，加速了國產(chǎn)替代進(jìn)程。

不論是恒定導(dǎo)通時(shí)間COT控制，還是恒定關(guān)閉時(shí)間控制，在整個(gè)正弦波周期上都是在一直變化，如何才能對(duì)開關(guān)頻率進(jìn)行限制呢，不讓它跑到更低或更低的開關(guān)頻率范圍是要在實(shí)際應(yīng)用上非常值得注意的問題。

真正應(yīng)用到實(shí)際上，還是需要對(duì)開關(guān)頻率進(jìn)行限制，比如卡在40K~100KHZ之間，如果開關(guān)頻率按正弦波變化到更寬的數(shù)字上，會(huì)帶來很多很多問題。在多模式的控制中也需要這些考慮，我在最開始的版本上在低壓重負(fù)載情況的CCM工況開關(guān)頻率最高能到200KHZ，這樣使得我?guī)缀鯖]有辦法繼續(xù)往實(shí)際應(yīng)用上走了，所以迫切的需要解決在多模式PFC控制上對(duì)開關(guān)頻率的限制。被動(dòng)式PFC技術(shù)，主要包括“電感補(bǔ)償式”和“填谷電路式”。前者通過減小交流輸入基波電流與電壓之間的相位差來提升功率因數(shù)，但其功率因數(shù)上限為0.7～0.8。而后者，作為一種新型無源功率因數(shù)校正電路，能顯著降低總諧波失真，將功率因數(shù)提升至0.9左右。其優(yōu)點(diǎn)在于電路簡單、補(bǔ)償效果顯著，且無需使用大型電感器。主動(dòng)式PFC技術(shù)則依托電感電容及電子元器件，通過專用IC調(diào)整電流波形，實(shí)現(xiàn)對(duì)電流電壓相位差的補(bǔ)償。其功率因數(shù)通?？蛇_(dá)98%以上，但成本相對(duì)較高。此外，主動(dòng)式PFC還可作為輔助電源，簡化電路設(shè)計(jì)，減小濾波電容需求。

在單片機(jī)電路中，我們常常遇到幾種不同類型的電路。這些電路不僅影響著電力利用效率，還與功率因數(shù)校正技術(shù)的實(shí)施密切相關(guān)。常見的電路類型包括被動(dòng)式PFC電路和主動(dòng)式PFC電路。被動(dòng)式PFC電路又可分為“電感補(bǔ)償式”和“填谷電路式”，前者側(cè)重于減小電流與電壓之間的相位差，后者則能顯著降低總諧波失真并提升功率因數(shù)。主動(dòng)式PFC電路則更注重電流波形的調(diào)整，通過專用IC實(shí)現(xiàn)對(duì)電流電壓相位差的精確補(bǔ)償，其功率因數(shù)通常高達(dá)98%以上。

在PFC開關(guān)電源中，開關(guān)穩(wěn)壓電源扮演著至關(guān)重要的角色。盡管PFC中的開關(guān)穩(wěn)壓電源與普通開關(guān)穩(wěn)壓電源在功能上相似，但它們的供電方式有所不同。普通開關(guān)穩(wěn)壓電源依賴220V整流供電，而PFC穩(wěn)壓開關(guān)電源則由B+PFC供電。在整流過程中，不加入濾波電容器，直接將未經(jīng)濾波的脈動(dòng)正半周電壓作為斬波器的供電源。斬波器通過一系列的“開關(guān)”操作，將脈動(dòng)的正電壓“斬”成特定的電流波形，其特點(diǎn)在于：

1、斬波器輸出的電流波形是斷續(xù)的，其包絡(luò)線與電壓波形保持一致，且二者相位相同。

2、經(jīng)過斬波器的處理，半波脈動(dòng)的直流電被轉(zhuǎn)換為高頻(約100KHz，由斬波頻率決定)的“交流”電。此高頻“交流”電需再次經(jīng)過整流后，才能供后級(jí)的PWM開關(guān)穩(wěn)壓電源使用。

3、從整體供電角度看，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了交流電壓與交流電流同相位，同時(shí)確保了電壓波形和電流波形均呈現(xiàn)正弦形態(tài)。這不僅優(yōu)化了功率因素補(bǔ)償，還有效地解決了電磁兼容(EMC)和電磁干擾(EMI)的問題。

該高頻“交流”電經(jīng)過整流二極管整流并濾波后，轉(zhuǎn)換為直流電壓(通常稱為B+PFC，如TPW-4211所示)，該直流電壓一般高于原220V交流整流濾波后的+300V。這是由于采用高電壓設(shè)計(jì)，配合小線徑電感、低線路壓降、小濾波電容容量和大濾波效果，從而降低了后級(jí)PWM開關(guān)管的要求。

目前，PFC開關(guān)電源中的斬波管(K)有兩種工作模式：

1、連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)：在此模式下，開關(guān)管的工作頻率保持恒定，而其導(dǎo)通占空比會(huì)依據(jù)被斬波電壓的幅度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

2、不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)：此模式下，斬波開關(guān)管的工作頻率會(huì)隨著被斬波電壓的大小而變化，確保每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)“開”與“關(guān)”的時(shí)間相等。

值得注意的是，功率因素校正開關(guān)電源中的PFC開關(guān)電源部分與PWM開關(guān)電源部分的激勵(lì)控制，都可以通過一塊集成電路來實(shí)現(xiàn)高效設(shè)計(jì)。

目前，傳統(tǒng)反激架構(gòu)已不能滿足高功率適配器的高開關(guān)頻率、高功率密度、高效率要求。因此，更適合更大功率輸出的LLC架構(gòu)開始引入百瓦大功率電源適配器中，有效提高轉(zhuǎn)換效率、減小體積、便于攜帶、提高產(chǎn)品競爭力。

另外，由于開關(guān)電源中整流后采用大容量的濾波電容，呈現(xiàn)容性負(fù)載，在電容充放電時(shí)會(huì)使電網(wǎng)中產(chǎn)生大量高次諧波，產(chǎn)生污染和干擾，工程師開始在開關(guān)電源中引入PFC電路，功率在75-85W以上的開關(guān)電源強(qiáng)制要求加入PFC電路以提高功率因數(shù)，修正負(fù)載特性。

而MPS為應(yīng)對(duì)現(xiàn)今適配器的高效化，小型化趨勢，順勢推出多款PFC+LLC combo控制器，助力廠商有效提高產(chǎn)品集成度。接下來充電頭網(wǎng)盤點(diǎn)下MPS推出的多款LLC+PFC combo控制器芯片。

半橋 LLC 諧振變換器采用零電壓開關(guān)(ZVS)實(shí)現(xiàn)高效率。HR1203 具有自適應(yīng)死區(qū)時(shí)間調(diào)節(jié)(ADTA)功能，在不同負(fù)載條件下都能確保 ZVS。此外，HR1203 可以防止 LLC 變換器在容性模式下運(yùn)行，使其更可靠，更易于設(shè)計(jì)。HR1203 內(nèi)部集成高壓(HV)電流源，可啟動(dòng)上電。將 AC 輸入移除后，高壓電流源也可作為 X 電容放電器使用。這也有助于減少相關(guān)設(shè)備的數(shù)量，從而在無負(fù)載時(shí)降低功耗。為了提高抗擾度，HR1203 采用多個(gè)可編程的數(shù)字濾波器對(duì)關(guān)鍵信號(hào)濾波。全方位保護(hù)功能包括過溫關(guān)斷保護(hù)、開路保護(hù)(OLP)、過流保護(hù)(OCP)、過壓保護(hù)(OVP)和欠壓保護(hù)/開啟。