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在只需注册MyROHM即可使用的在线模拟工具“ROHM Solution Simulator”中，已经预置了大量“Solution Circuits”。目前，Solution Circuit分为“Power Device Solution Circuit”和“ICs Solution Circuit”两大类，主要针对常用的应用电路提供电路解决方案。通过使用这些模拟电路，可以快速推进设计电路的工作验证和优化工作。 在本系列文章中将会介绍使用Power Device Solution circuit的PFC电路调整各参数的基本方法和PFC电路调整的诀窍。另外，还会针对以下在PFC电路设计过程中可能会成为问题的主题，提供仿真和解决方案。在确认和优化PFC电路的工作时可以作为参考。 电感的调整 开关频率的调整 适当栅极驱动电压的考量 栅极电阻的更改 死区时间理想值的考量 作为本文基础的“PFC用户指南”可以从以下链接下载： https://fscdn.rohm.com/cn/products/databook/applinote/discrete/common/web_sim_pd_fpc_ug-c.pdf Solution Circuit的PFC仿真电路 首先简单介绍一下如何访问“ROHM Solution Simulator”和“Power Device Solution Circuit”。单击这里（https://www.rohm.com.cn/solution-simulator）进入“ROHM Solution Simulator”的入口页面。也可以通过单击ROHM官网首页（https://www.rohm.com.cn/）的下拉菜单“技术支持”→“设计”→“模拟/计算工具”→“ROHM Solution Simulator”进入同一页面。从该页面可以访问各种Solution Circuit。 ROHM Solution Simulator的页面上有“用户操作手册（https://fscdn.rohm.com/cn/products/databook/reference/ROHMSolutionSimulator_Manual_rev2_vF_cn.pdf）”和ROHM Solution Simulator的“白皮书（https://fscdn.rohm.com/en/products/databook/white_paper/common/white_paper_simulation_wp-e.pdf）”链接，可以参阅这些资料来了解使用方法和功能的详细介绍。 ROHM Solution Simulator页面中列出了电路仿真用的“Solution Circuit”。目前主要分“Power Device Solution Circuit”和“ICs Solution Circuit”两大类（图1）。 图1：Solution Circuit一览（网页截图）。 点击“Power Device Solution Circuit”下方的“AC-DC PFC”即可显示PFC仿真电路一览（图2）。提供的PFC仿真电路包括常用的临界模式（BCM）、连续模式（CCM）、不连续模式（DCM）等工作模式以及大功率三相PFC电路。不仅如此，其中还包括PFC仿真电路基本的单驱动、交错驱动、同步整流、无桥、Totem-pole等多种电路，目前共有19种可供选择。 图2：Power Device Solution Circuit的PFC仿真电路一览（网页截图）。 还有一种访问路径，即还可以从各元器件的产品页面访问仿真电路（仅限已提供的电路）。在本系列文章中作为示例使用的PFC电路中，功率器件使用SCT2450KE（SiC MOSFET：1200V/10A）和SCS302AH（SiC SBD：650V/2A）。单击各产品页面上的“设计资源”标签即可打开可以使用的模型和工具列表。如果已经基本确定了要考虑采用的产品，也可以按照该路径访问。 如果要使用“ROHM Solution Simulator”，需要注册MyROHM。如果已经注册，请在登录后点击要使用的仿真电路。如果没有登录，将会在过程中被提示登录。注册了MyROHM后，不仅可以使用“ROHM Solution Simulator”，还可以接收电子杂志、保存参数搜索设置、以及使用咨询功能，欢迎注册使用。 后续将会具体示范使用仿真电路改变参数等进行优化的操作。在这里将省略基本的操作方法，第一次使用“ROHM Solution Simulator”的各位请参考“用户操作手册（https://fscdn.rohm.com/cn/products/databook/reference/ROHMSolutionSimulator_Manual_rev2_vF_cn.pdf）”先尝试运行一下仿真器。 通过5个示例（如处理PFC电路中各种条件的变化、重要参数探讨等）解释说明PFC电路的调整要点和方法。在电路设计和修改工作中，除了计算之外，还需要使用硬件来完成条件的更改及其评估工作。然而，通过硬件进行评估不仅花费时间和资金，在某些条件下还无法评估。从这个角度来看，使用电路仿真是设计和评估工作中的有效手段之一，这是毫无疑问的。当然，最终实际装机评估是必不可少的，但仿真的优点是可以节省实际装机评估之前的工时，缩短开发周期。 可以通过以下汇总来了解详情。 PFC电路：电感调整 ・当改变了PFC CCM电路中的工作条件时，通过调整电感可以优化电感电流的纹波率。 ・计算出可以获得合适纹波率的电感值，并通过仿真进行验证。 PFC电路：开关频率的调整 ・当改变了PFC Synchronous CCM电路中的工作条件时，通过调整开关频率，可以优化电感电流纹波率，同时可以提高效率。 ・计算可以获得适当纹波率的开关频率，并通过仿真进行验证。 PFC电路：探讨适当的栅极驱动电压 ・相对于VGS的变化，开关器件SiC MOSFET的Ron波动很大，因此栅极驱动电压VGS的设置很重要。 ・在考虑SiC MOSFET的栅极驱动电压VGS时，需要在效率和安全之间做好权衡。 PFC电路：栅极电阻的更改 ・增加开关元件的栅极电阻会抑制噪声，但与之存在此消彼长关系的效率会降低，因此很好地权衡栅极电阻值的设置是非常重要的。 ・将开关器件的损耗抑制在规定值以下时，其最大栅极电阻RG可以通过仿真来确认。 PFC电路：死区时间理想值的考量 ・桥式电路中的死区时间设置与损耗和安全性有关，因此需要充分确认。 ・死区时间的理想值是不直通的最短时间。 ・由于开关器件的开关速度会受温度和批次变化等因素影响而发生波动，因此在设计过程中，除了最短时间外，还应留有余量。 PFC电路：电感调整 当改变了PFC电路的一些条件时，可能需要调整电感电流的纹波率。在本文中，我们将为您举例介绍将电感器的电感值调整为合适值的方法。工作模式以CCM（电流连续模式）为前提。 电路示例 回路将以之前的“Solution Circuit的PFC仿真电路”中提到的Power Device Solution Circuit/AC-DC PFC一览中的仿真电路“A-4. PFC CCM Vin＝200V Iin＝2.5A”为例（参见图3）。您可以通过单击网页一览中相应的“Schematic Information”图标来查看详细的电路图信息。点击这里可以直接进入相关网页。 在本例中，当改变了图3黄色框中的条件时，需要通过调整电感器的电感值来优化电感电流的纹波率。 图3：PFC仿真电路“A-4. PFC CCM Vin＝200V Iin＝2.5A”以及更改的条件 电感值调整前的纹波率 图4是对条件更改后、电感值调整前（默认值：1mH）的电感电流IL进行仿真后的结果。该状态下的峰值为 IL_peak≈3.7A。 图4：电感值L调整前（默认值：1mH）的电感电流IL 输入电流的峰值为 Iin_peak=√2×Iin≈2.82A ，因此根据这些条件计算纹波率M可以得到如下结果： 纹波率通常应该设置为低于30%的值，因此在这种情况下需要通过调整电感值L来降低纹波率。 电感值调整 电感值L一般利用下列公式计算： 当按照η=0.95、纹波率M为30%（0.3）的条件计算L值时，结果如下： 当根据计算结果将L值改变为2mH并重新进行仿真时，如图5所示，峰值电感电流变为 Iin_peak≈3.4A。因此，纹波率为 M=(3.4－2.82)/2.82≈20.6% ，达到了低于30%的目标。 图5：将电感值L调整为2mH时的电感电流IL PFC电路：开关频率的调整 此前，作为通过改变电路条件来优化电感电流纹波率的方法，我们介绍过调整电感器的电感值的方法。在这里将介绍另一种方法，即调整开关频率fSW的方法。工作模式以CCM（电流连续模式）为前提。 电路示例 该电路以Power Device Solution Circuit/AC-DC PFC（https://www.rohm.com.cn/solution-simulator）的一览表中的仿真电路“A-6. PFC CCM Synchro Vin＝200V Iin＝2.5A（https://www.rohm.co.jp/login?redirect=/solution-simulator/ccm_synchro_vin200v_iin2_5a）”为例（参考图6）。 关于更详细的电路图，还可以通过这里（https://fscdn.rohm.com/en/products/databook/reference/A006.pdf）查看。 在本例中，当改变了图6黄色框中的条件时，需要通过调整开关频率来优化电感电流的纹波率。可通过仿真来检验其结果。 图6：PFC仿真电路“A-6. PFC CCM Synchro Vin＝200V Iin＝2.5A”及改变条件 开关频率调整前的纹波率 图7表示调整开关频率fSW之前（默认值：100kHz）的电感电流IL。它的峰值为 IL_peak≈7.8A 。 图7：开关频率fSW调整前（默认值：100kHz）的电感电流IL 输入电流的峰值为Iin_peak=√2×Iin≈7.07A，根据这些条件，纹波率M计算如下： 于纹波率与通常的“小于30%”相比足够小，因此考虑通过降低fSW来优化纹波率，从而提高效率。fSW调整前的效率为 η=97.2% 。 开关频率的调整 开关频率fSW通常利用以下公式计算： 设 η=0.972、纹波率M为通常的30%（0.3），则fSW计算如下： 从计算结果来看，当改变为fSW=55kHz并重新进行仿真时，如图8所示，峰值电感电流变为IL_peak≈8.5A。在这种情况下，纹波率 M=(8.5－7.07)/7.07≈20.2%。效率为 η=97.3%，比fSW调整前提高了0.1%。通过仿真可以验证，通过这种fSW调整，可以获得适当的电感电流纹波率，同时还可提高效率。 图8：将开关频率fSW调整为55kHz后的电感电流IL 来源：techclass.rohm

本文将介绍在空调中的案例。近年来，随着表示全年能效比的APF（Annual Performance Factor）在行业中引入实施，提高空调等家电的效率已成为重要课题之一。 空调用电流连续模式PFC电路：利用MOSFET和二极管提高效率的案例 下面的电路是空调的电流连续模式（CCM）PFC电路示例。接下来是在该电路中，将原始设计中使用的FRD（快速恢复二极管）变更为SiC SBD（肖特基势垒二极管）“SCS112AM”和另外的FRD“RFUS20TF6S”后，此外，将开关晶体管由原始的IGBT变更为Hybrid MOS“R6035GN”后，以及同时变更晶体管和二极管后，对效率进行比较的结果。 将原始设计中的FRD变更为SiC SBD 将原来使用的FRD变更为SiC SBD后的效率和损耗比较数据如下： 以上是一组实际测量数据。在效率方面，有0.1%～0.2%左右的提升；在损耗方面，当Po＝2094W时有约4.2W的差异。 该差异的主要原因是相比原FRD，所替换的SiC SBD的trr（反向恢复时间）更短。在“电流连续模式PFC：利用二极管提高效率的例子”一文中已经介绍过，在电流连续模式PFC中，二极管的trr（反向恢复时间）特性在高速时效率更好。另外，关于SiC-SBD和FRD的反向恢复特性的区别，在“所谓SiC-SBD－与Si-PND的反向恢复特性比较”中有详细说明，请参考。 将原始设计中的IGBT变更为Hybrid MOS 接下来是开关晶体管的不同所带来的损耗比较数据。此时的二极管为SiC SBD。 通过以上比较可以确认，将开关晶体管从IGBT变更为Hybrid MOS“R6035GN”后，在输出功率1000W的条件下，损耗可以降低4W。 其原因有两个。一个是Hybrid MOS的开关速度快，因此开关损耗小；另一个是导通电阻小，传导损耗也小。 从该波形数据可以看出，Hybrid MOS的上升变化速度很快，在○圈出来的部分，损耗比IGBT少。顺便提一下，该IGBT是超高速型产品，但还是不及比较对象Hybrid MOSFET。 右侧的图表表示晶体管单体的Ic（Id）对应的导通电阻特性。在20A以上的范围，Hybrid MOSFET的导通电阻与IGBT几乎相同；在20A以下的范围，导通电阻低于IGBT，整体上有望实现更低的损耗。 绿线所表示的R6035GN是标准的超级结MOSFET（SJ MOSFET），低电流时的导通电阻较低，但在高电流时导通电阻略高于IGBT。这是标准的SJ MOSFET的特性。因这些特性差异，在大电流应用中一般选用IGBT，然而IGBT具有在低电流范围的损耗较大且效率较差的问题。 Hybrid MOS是SJ MOSFET的衍生产品，是具备SJ MOSFET的高速开关性能和低电流时的低导通电阻、以及与IGBT相匹敌的大电流时的低导通电阻性能的MOSFET。欲了解更详细信息，请参考“同时具备MOSFET和IGBT优势的Hybrid MOS”。 变更为Hybrid MOSFET＋SiC SBD，效率更高 最后是二极管和开关晶体管这一组合的效率数据。 “原始”是指原设计中使用的IGBT和FRD的组合。“SJ MOS＋FRD”是ROHM生产的三款标准的SJ MOSFET和ROHM生产的一款FRD的组合。“Hybrid MOS＋FRD”均为ROHM生产的产品。使用绿色背景色的“Hybrid MOSFET＋SiC SBD”也均为ROHM生产的产品。 曲线图是根据表格中的数据绘制而成的，从结果看出，Hybrid MOSFET＋SiC SBD的组合可以获得最高的效率。 关于PFC，在电流连续模式（CCM）和临界模式（BCM）中介绍过，降低损耗的方法略有不同。在改善效率时，需要考虑到这一点。 关键要点: ・在电流连续模式PFC中，将IGBT＋FRD替换为Hybrid MOSFET＋SiC SBD可提高效率。 ・在该案例中，SiC SBD的高速trr特性、Hybrid MOSFET的低导通电阻＋高速开关有助于提高效率。 来源：techclass.rohm

本文开始将介绍在实际应用电路中二极管和晶体管的特性和性能不同会带来什么样的差异、使用上有什么区分。首先以PFC（功率因数改善）为例开始，有些电子设备是必须配备PFC的，所以此次先稍微介绍一下PFC。 什么是PFC PFC（功率因数改善）是指改善功率因数，并使功率因数接近1。这是通过使功率因数角（相位角）接近0°，从而减小电压与电流的相位差，使视在功率接近有功功率。同时抑制谐波电流。谐波抑制在国际标准IEC61000-3-2中已经分类限值并规定了最大容许谐波电流，相应的电子设备基本上都配备PFC。 单级PFC与交错式PFC PFC的基本工作是使电感电流呈三角波状，并控制电流使其平均值为正弦波，从而校正电压和电流的相位差。下面是以单级和交错式为例的PFC基本电路。 顾名思义，单级PFC由1组开关（晶体管）、二极管、电感构成，而交错式PFC由2组构成，开关以180°相位差进行驱动。所以，单级PFC的电感电流因ON/OFF而呈单一的三角波状，而交错式PFC则三角波重叠。其结果是纹波电流减小，有效频率翻倍。右图是每个电感的电流波形和交错式PFC的电流波形示意图。 交错式使用2组开关，因此开关损耗分散，每个开关上的负载减轻，使热设计更容易。另外，纹波电流更小，有效频率更高，从而有助于减小滤波器尺寸。这与DC/DC转换器的双相驱动原理相同。 临界模式（BCM）与连续模式（CCM） PFC的控制一般采用两种模式，一种是在电流为零的时间点进行开关的电流临界模式（BCM：Boundary Current Mode），一种是在电感连续流过电流的状态下使用的电流连续模式（CCM：Continuous Current Mode）。 BCM是在二极管电流变为零的时间点开关导通，所以二极管中不会流过反向恢复电流。但是，电流从零到最大值变化较大，所以电感和二极管的峰值电流将增加。而CCM的特征是在二极管中有电流流动的状态下开关导通并强制关断二极管，所以会流过较大的反向恢复电流，并产生开关噪声。但连续流动的电感电流几乎为直流，纹波也很小。 方式不同，输出功率也不同 上述单级方式和交错方式、BCM控制和CCM控制的不同表现为输出功率和峰值电流特性的不同。一般输出功率较大的电路中多使用交错式PFC及CCM控制。下图为比较示例。 关键要点: ・PFC（功率因数改善）是指改善功率因数并使功率因数接近1。 ・PFC的方式包括单级和交错式，交错式可分散损耗因而热设计更容易。 ・PFC的模式包括临界模式（BCM）和连续模式（CCM），一般大功率电路中使用CCM。 临界模式PFC : 利用二极管提高效率的例子 在实际的应用电路中，二极管和晶体管因其特性和性能不同而需要区分使用。在电源类应用中区分使用的主要目的是提高效率。本文将介绍PFC（功率因数改善）的一个例子，即利用二极管的特性差异来改善临界模式（BCM）PFC的效率的例子。关于PFC，请参考上一篇文章的介绍。 临界模式PFC：液晶电视电路示例 该电路是液晶电视的PFC单元，是单级PFC的临界模式（BCM）控制方式示例。PFC电路的二极管D1使用的是快速恢复二极管（以下简称“FRD”）。 对该二极管使用正向电压VF低的类型、和反向恢复时间trr快的类型时实施了损耗仿真。下面是所使用的两种二极管的主要规格。除VF和trr外，其他规格基本同等。 RFNL10TJ6S 低 VF RFV8TJ6S 高速 trr 単位 VRM 600 600 V IF 10 8 A VF 1.25 @IF=8A 3 @IF=8A Vmax IR 10 10 µA trr 65 20 ns max 两者的仿真结果如下。 中段波形表示二极管的功率损耗。上段波形表示线圈电流＝二极管的IF，下段波形表示输出电压＝对二极管施加的电压。二极管的功率损耗如波形所示，低VF的RFNL10TJ6S的功率损耗很低。以平均值看，低VF、标准trr的RFNL10TJ6S为0.23W，高速trr、标准VF的RFV08TJ6S为0.41W。VF的不同会带来1.25V对3V（IF=8A时）的不同结果。 从这个结果可以看出，在PFC临界模式下，二极管VF的不同对损耗会产生很大影响，而trr的影响则较小。这是因为在临界模式下，电流的流动是从零升至峰值，如果二极管的VF较大则相应的传导损耗也将增大。 对于临界模式控制的PFC，尽量选择VF小的二极管可改善电路效率。 关键要点: ・临界模式PFC的二极管VF对损耗影响较大，而trr对损耗的影响则较小。 ・对于临界模式控制的PFC，选用VF小的二极管可改善电路效率。 电流连续模式PFC : 利用二极管提高效率的例子 继上一篇临界模式PFC的例子之后，本文将探讨电流连续模式PFC的二极管特性差异带来的效率差异。 利用二极管改善电流连续模式PFC电路效率示例 这是以前介绍PFC时用过的简化的PFC电路示例。下面来探讨一下在PFC输出端的基本构成–二极管和MOSFET的组合部分中，二极管的特性是怎样影响效率的。二极管使用FRD（快速恢复二极管），给出了3种特性不同的二极管的效率测量结果。 右图表示各FRD的电路效率与FRD的trr（反向恢复时间）的关系。如图所示，在使用trr最低的FRD时效率最高。下表是各FRD的主要特性和效率测量值。 FRD IF (A) VF (V) Typ. @IF max trr (ns) Typ. @IF max, VR=400V 效率 (%) RFNL10TJ6S 10 1.1 100 (dIF/dt=-100A) 89.10 RFV8TG6S 8 2.3 25 (dIF/dt=-200A) 93.59 RFVS8TG6S 8 2.5 20 (dIF/dt=-200A) 93.87 电路条件：连续模式，Po=300W，fsw=200kHz，Vin=115Vrms，Vo=390V RFNL10TJ6S和RFV08TJ6S是上一篇文章中的临界模式PFC损耗仿真所用的FRD，RFNL10TJ6S是由于VF低而在临界模式PFC中实现最高效率的FRD。相反，RFV08TJ6S由于VF比RFNL10TJ6S高而在临界模式PFC中出现效率最低的结果。 然而，关于电流连续模式PFC的效率，VF的影响微乎其微，主要是受trr的影响。从波形图即可看出trr慢导致效率下降的原因。 在FRD的波形中，FRD导通时流过5A左右的正向电流IF，然后关断时流过18A左右的反向电流IR。这个IR是trr期间流动的电流，在连续模式PFC中，会对MOSFET的开关产生影响。如波形所示，在MOSFET导通时流过尖峰状大电流，这会成为损耗，导致电路整体的效率下降。 结论是，在电流连续模式PFC中，二极管的trr越快效率越高。基本上不受VF影响。 关键要点: ・在电流连续模式（CCM）PFC中，二极管的trr对损耗影响很大，而VF的影响很小。 ・在电流连续模式控制的PFC中，选择trr值小的二极管可改善电路效率。 来源：techclass.rohm

很多广告宣称发光二极管(LED)方案比传统CFL、LFL以及HID具有更久的寿命和更高效的发光模式，但这是真的吗？ 究竟LED产品的寿命是由什幺因素决定的呢？ 发光二极管的寿命是以流明数减少程度来衡量，也就是初始光输出值减少的百分比来量度的，而北美照明工程协会(Illumination Engineering Society of North America, IESNA)的LM-80标准，对确定流明数减少程度的步骤有详细的规定。 通过研究不同的LED供应商及其数据表，便能了解到提供合理的散热以及硅结温度的热管理，是延长LED寿命的常用方法。我们可以在LED供应商说明流明数减少的数据表中查看一下寿命对比结温的图表。 举例而言，符号L70表示光输出比初始值减少30%，这是“典型”肉眼开始觉察光度降低的百分比。所谓适当的流明数减少程度则根据不同的终端应用而各有差别。 要确保产品能够达到所宣传的寿命值，一半需依靠LED的热管理，另一半则视乎LED电源或驱动器设计而定。如果LED不发亮，用户是不会关心那到底是LED流明数减少，还是LED电源损坏的缘故。 由于LED是非线性（不同的正向电压对比正向电流）器件，因此需要恒流LED驱动器或电源。因为非线性LED的功率因数小于1，所以在超过某功率水平和/或谐波电流极限时，便需要使用功率因数校正(Power Factor Correction, PFC) LED驱动器。点亮高亮度LED需要合适的电源，但电源中存在好些会缩短LED寿命的元件。 工作摘要： www.ssl.energy.gov 相关链接： 作好数分钟内设计LED驱动器的准备了吗？ 访问Fairchild设计工具页面，了解更多信息并试用。

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