PFC中的二极管反向恢复电流

摘要本文以爆闪灯产品开发为背景介绍 PFC 与 APFC 的基本原理。文章先说明 PFC 用于改善电源输入端的功率因数再介绍 APFC 通过主动控制开关管使输入电流跟踪电压波形将功率因数提升到 0.95 以上随后结合 UCC28180DR 芯片与 BOOST 升压拓扑分析续流二极管反向恢复对 MOSFET 造成的应力与 EMI 影响并给出使用快恢复二极管或 SIC 二极管降低反向恢复时间的优化方案。第一份硬件电子工程师的工作曾参与爆闪灯产品的测试、开发与维护工作其中使用的芯片是 UCC28180DR通过整流桥和 BOOST 升压来实现 APFC有源功率因数校正。PFC 与 APFC 的原理PFCPower Factor Correction功率因数校正用于改善电源输入端的功率因数。功率因数是有功功率与视在功率的比值理想值为 1。在未校正的整流电路中输入电流呈窄脉冲状谐波含量高导致功率因数偏低通常只有 0.5 到 0.7 左右既浪费电能也容易对电网造成谐波污染。APFCActive Power Factor Correction有源功率因数校正是 PFC 的一种实现方式通过主动控制开关管的通断使输入电流波形主动跟踪输入电压波形从而把功率因数提升到 0.95 以上同时大幅降低输入电流的谐波含量。相比无源 PFC使用大电感、大电容等被动元件APFC 体积更小、校正效果更好因此被广泛应用于开关电源、LED 驱动和充电器等产品中。本文使用的 UCC28180DR 正是一款 APFC 控制芯片它配合整流桥和 BOOST 升压拓扑通过检测输入电压和电感电流实时调整开关管 Q1 的占空比让输入电流近似正弦波并与输入电压同相位从而实现高功率因数校正。其中的电感后级续流二极管在导通关断切换过程中其反向恢复电流和反向恢复时间叠加线路中的寄生电感、反向漏电流和高频电压尖峰都累加在 MOSFET 上导致 MOSFET 过流/过压应力、EMI 超标甚至器件雪崩失效。BOOST 升压部分通过控制 Q1 的开关频率和 L2 的电感续流能力来达到对后级的升压。Q1 关断时L2 电流不能突变继续为后级提供电流此时 D3 的右侧电压高于左侧电压由于二极管存在反向恢复时间所以短时间内电感电流和二极管反向恢复电流会累加在 MOS 管 Q1 上。使用快恢复二极管甚至 SIC 二极管可将反向恢复时间从原来的 us 级降到 ns 级甚至 ps 级从而大大减小 MOS 管 Q1 的压力。