原创 PFC电路调整优化的示例

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。

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

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