适用于各种类型硬开关功率转换器的电能回收电路

BC2电路需要使用一个击穿电压高于600V的特殊二极管。此外，还需要优化二极管的反向恢复电流，以防功率晶体管在[t₁-t₂]相位遭受较高的电流。

意法半导体研制出BC2电路专用的3A、5A、8A、10A和16A的二极管，这些二极管采用不同类型的封装（直插、通孔或贴装）。

意法半导体推出了在一个封装内嵌入两支二极管（图4中的D_B和D₂）的新产品(STTH10BC065CT和STTH16BC065CT)，新产品的额定反向电压值达到650V，散热器用二极管与标准功率因数校正器用二极管完全相同。

为保持这个散热器配置，意法半导体开发出续流二极管D1(STTH3BCF060 and STTH5BCF060)，该产品采用贴装或直插式封装，以便将其焊接在印刷电路板上。

针对大功率转换器，意法半导体开发出独立的采用通孔封装的D_B 和D₂ 二极管(STTH8BC065DI 和STTH8BC060D)。

详情联系当地的意法半导体销售处。

2.4. 计算m₂ 和m₁ 变压比

为在[t1-t2]和[t3-t4]时序期间符合断续模式，图5所示的时间参数td1和td2应总是正值。根据典型连续导通模式（CCM）功率因数校正规则和t_{D1_ON} 和t_{D2_ON} 表达式，确定变压比条件m₁ 和 m₂ 不是难事。

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其中P_IN 是功率因数校正器的输入功率，Fs是开关频率；V_mainsRMS 是RMS电压最大值；I_RMmax是在导通dI/dt和最高工作结温条件下的反向恢复电流最大值。

2.5.小线圈L的电感计算

小线圈L的额定电感有几种计算方式。例如，导通dI/dt的额定值可能是50A/μs；然后，根据二极管D_B的I_RM值计算变压比m₂和m₁。不过，要想满足设计规则，D_B的反向电压VR_DB_reverse不得超过V_RRM的75%，75%x650 = 487V；如果VR_DB_reverse高于 487V，就应该降低小线圈L的电感值；因此，也应该提高小线圈L的dI/dt值和D_B二极管的 I_RM 值。因此，使VR_DB_reverse低于 487V，必须重新计算m₁和m₂ 变压比。但是这种计算方法未能优化小线圈L的电感及其尺寸。一个良好的方法最终应使小线圈的尺寸最小化。意法半导体开发出一个考虑以下所有参数的软件工具：D_B二极管的I_RM 与电流斜率dI/dt和结温T_J对比、线圈L电感公差、导通功率损耗。这个软件工具的研发目的是帮助设计人员根据应用条件选择最佳的电感。表2列出了两个采用BC2概念的功率因数校正应用示例。

表2:用于不同类型功率因数校正器的L线圈的电感和尺寸

3.450W功率因数校正器的BC2电路设计

为展示BC2电路的优点，意法半导体开发出一个90- 264 V_mainsRMS 的通用系列450W功率因数校正器，该系列产品采用硬开关模式和一个标准均流式 PWM控制器。我们从导通特性、能效和热测量三个方面对BC²电路与8A碳化硅肖特基二极管进行了对比。

3.1.BC2设计

在评估BC2电路时我们使用了专用二极管，D_B采用STTH8BC065DI，D₂采用STTH8BC060D，D₁采用STTH5BCF060，如图4所示。软件给出了小线圈L的电感、变压比m₁和m₂ 与开关频率的对比值，如表3所示。

表3:N_S1、N_S2 和L与Fs对比值

3.2.BC2电路的典型波形

图7所示是200 kHz功率因数校正器的典型BC2波形。 每次功率MOSFET导通时，就会发生一次电流软开关操作。

这条曲线突出表明D₁ 和D₂ 二极管总是处于断续模式；D₁ 恢复D_B的I_RM电流；而D₂ 通过功率因数校正体电容发送小线圈L贮存的电流。如前文所述，在[t₀-t₁]和[t₄-t₅]相位，一旦D₂ 关断，功率晶体管的漏极电压立即降低，关断损耗被消除。



图7:Fs=200 kHz时的典型 BC2 波形

3.3.能效比较

我们在两个V_mains电压和140 kHz开关频率条件对BC2和SiC二极管进行了能效比较，如图8 (230V_RMS) 和图9 (90V_RMS)所示。当电源电压230V_RMS时，在全负载条件下，BC2电路比8A碳化硅整流管省电2.25W，在100W时省电1W。

在低负载条件下，如[t₀-t₁]相位所述，因为BC2关断损耗比碳化硅二极管低，N_S2 产生的反射电压仍能提高BC2的能效。

一旦功率因数校正器进入断续模式(100W)，碳化硅二极管与BC2电路的能效相同，如图8所示。



图8:在230V_RMS时的能效对比

在90V_RMS电压时，软开关法的优点加上C_OSS 放电节省的电能好处进一步加强了BC2电路的优点。在450W输出功率时，BC2比碳化硅二极管省电5.4W，在低负载下，因为无关断损耗，BC2比碳化硅二极管省电1.7%。



图9:在90V_RMS时的能效对比


图10:在Vmains_RMS=90V时，450W功率因数校正器的三个不同的输出功率和三个开关频率的能效对比

图10突出了BC2电路软开关法和C_OSS 放电省电的优势，特别是在低负载下这种优势更加明显。

3.4.热测量

电流软开关法能够降低开关晶体管的功率损耗，图11所示是在一个功率因数校正应用中，BC2解决方案与碳化硅二极管在功率MOSFET晶体管上产生的温度差(18°C)。

如果功率MOSFET晶体管的工作结温相同，(T_j(avg))BC2解决方案可以让散热器变得更小。

这样，节省的空间抵消了BC2电路的小线圈L所占的空间。因此，BC2电路拥有与碳化硅二极管解决方案相同的功率密度。

虽然采用热优化技术，但是，当功率MOSFET的R_DS(on)导致结温T_j(avg)上升到90 °C时，采用BC2的解决方案的能效略有降低，不过BC2概念的能效还是高于碳化硅二极管。因此，在图11和图9所 示的90V_RMS能效比较中，应该从Poutx[1/(SiC_efficiency) – 1/(BC2_ efficiency)]= 5.4W的省电数值中扣除0.75W。

总之，BC2电路的功率密度和能效均优于碳化硅二极管。



图11:温度测比较

另一种优化BC2概念的方法是缩减功率MOSFET晶体管的有效面积，获得与碳化硅二极管相同的能效。

在图11所给的示例中，至少可以去除一个功率 MOSFET开关管。这样，随着导通电阻R_DS(on) 增加，开关管的功率损耗不必再乘以2。实际上，整体功率损耗降低的另一个原因是MOSFET等效电容C_OSS 也被削减一半。

在图11的示例中，一个导通电阻R_DS(on)小于0.46?的、输出功率450W的功率MOSFET与一个碳化硅二极管和两个并联功率MOSFET的结构的能效相同。

这个功耗优化方法对大众市场应用有吸引力:BC2解决方案应考虑到意法半导体的能效概念和节省一支功率MOSFET。

BC2概念的成本效益高于碳化硅二极管解决方案。

3.5.BC2设计工具

意法半导体开发出一个软件工具，能够帮助设计人员根据电源规格快速确定BC2拓扑的规格。