碳化硅助力實現 PFC 技術的變革

作者：Wolfspeed 產品市場經理 Eric Schulte

碳化硅（SiC）功率器件已經被廣泛應用于服務器電源、儲能系統和光伏逆變器等領域。近些年來，汽車行業向電力驅動的轉變推動了碳化硅（SiC）應用的增長， 也使設計工程師更加關注該技術的優勢，并拓寬其應用領域。

選擇器件技術

無論應用領域如何，每個電源設計都是以回答一些相同的基本問題著手進行的：輸入電壓、輸出電壓和輸出電流分別是多少？接下來，設計人員要考慮他們力圖在最終產品中實現的性能標準。目前，電源設計人員可以利用多種器件來滿足這些標準，包括氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）和各種基于硅（Si）的技術，如 MOSFET、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和超級結（SJ）器件（圖 1）。

圖 1：這些技術都有各自的優勢和最適用的應用領域

當額定擊穿電壓低于 400 V，且設計要求以低于 1 kW 的功率進行相對低頻率的操作時，硅（Si）通常是一個不錯的選擇。在制造 USB 充電器等需要高開關頻率以減小磁性元件尺寸的緊湊型應用時，氮化鎵（GaN）是一個極佳的選擇。在功率超過 1 kW、低頻率條件下的額定電壓介于 600 V 至 1,700 V 的情況下，IGBT 可與碳化硅（SiC）考慮一同使用。不過，對于更高的開關頻率或更高的功率密度而言，碳化硅（SiC）是最佳選擇。

選擇的中心

在圖 1 中，多個選擇間形成的中心位置位于中等偏高的電壓和開關頻率。然而，碳化硅（SiC）的高效率使其成為一個令人信服的選擇，因為對于物料清單成本和運營成本的權衡可能是一個決定性的因素。

Wolfspeed 碳化硅（SiC）器件具有極低的導通電阻，這意味著導通損耗低且效率高。在這方面，與硅（Si）和氮化鎵（GaN）相比（圖 2），碳化硅（SiC）在所有應用中均優于其他技術。該材料自身特性使得導通電阻隨溫度的波動小，而氮化鎵（GaN）和硅（Si）的 RDS(ON) 則比室溫下的額定值增加 2.5 倍或更多。

圖 2：Wolfspeed 碳化硅（SiC）器件

可在很寬的溫度范圍內保持穩定的低 RDS(ON)

實現 PFC 技術的變革

現代電源整流器是從簡單的橋式整流器發展而來的，這種整流器只需要一個“大法拉電容器”來平滑直流輸出。增加的無源功率因數校正（PFC）階段通常帶有一個工頻頻率的 LC 濾波器。這種方法適用于對效率和尺寸沒有嚴格要求的相對低功率的應用（圖 3）。

圖 3：全橋整流器從簡單的無 PFC

發展到基本的無橋 PFC

如今，大多數開關電源中，升壓轉換器在二極管整流橋之后作為主動 PFC 使用，其開關頻率比工頻頻率高幾個數量級，因此可以使用更小的電感器和電容器。根據具體應用，在有源 PFC 電路中用碳化硅（SiC）二極管取代硅（Si）基二極管可將能效提高兩至三個百分點。

另一方面，將開關頻率從 80 kHz 提高到 200 kHz 可以縮小外形尺寸或提高功率密度達 60%。一般來說，提高開關頻率有助于縮小電感器的尺寸，并且減少電感器的銅損耗。

然而，當頻率從 200 kHz 提高到 400 kHz 時，銅損耗趨于平穩，而電感器磁芯損耗則持續增加。其結果是收益遞減，尺寸縮小 10% 至 15%，功率損耗則增加 10% 至 15%。對于那些必須縮小尺寸的應用，這或許是一個可以接受的折衷方案。

要將效率水平提高到 90% 以上，就必須重新繪制電路，去掉二極管橋。為了去掉二極管，一種方法是將電感器移至交流輸入端，并用兩個 MOSFET 替換橋式電路中的兩個底部二極管。左邊的開關在正半周提升電壓，右邊的開關在負半周提升電壓。

基本無橋電路所面臨的挑戰是，高頻率開關節點直接連至交流輸入，而直流接地相對于交流輸入是浮動的。這會導致任何寄生電容直接變成共模 EMI。解決這一問題的常見方法是通過使用無橋雙 Boost 或叫做半無橋來實現（圖 4，左）。

圖 4：比較無橋雙 Boost 解決方案（左）和采用碳化硅

（SiC）實現的全橋演進形式即圖騰柱拓撲（右）

在這種拓撲結構中，左下方的兩個二極管消除了浮動接地問題，而拆分電感器則消除了開關節點與交流電源的直接連接，從而解決了共模 EMI 問題。雖然可以使用硅（Si）MOSFET，但它們的最高效率為 95% 至 96%，且占地面積更大，需兩個電感器，進而總物料清單成本可能更高。

圖騰柱拓撲

圖騰柱拓撲是無橋雙 Boost 拓撲的備選方案，其名稱來源于晶體管相互堆疊的方式（圖 4，右）。如圖所示，圖騰柱可以做成全橋 MOSFET 版本，也可以做成無橋版本，即把右側低頻率橋臂的 MOSFET 替換為二極管。

如果在連續導通模式 (CCM) 條件下工作，圖騰柱拓撲面臨的最大挑戰是來自 MOSFET 體二極管的反向恢復電荷。在從低壓側開關轉換到高壓側開關的過程中，兩個 MOSFET 不能同時導通，體二極管必須在死區時間內導通。硅（Si）的反向恢復特性降低其效率（圖 5）。

圖 5：碳化硅（SiC）與硅（Si）體二極管反向恢復比較

在所有硬開關電源設計中，當體二極管必須導通時，都會產生反向恢復損耗。碳化硅（SiC）沒有少數載流子，因此反向恢復電流幾乎為零。

而硅（Si）MOSFET 的損耗則要高出幾個數量級。這就是硅（Si）器件在圖騰柱中無法使用的原因。

全橋圖騰柱還是混合圖騰柱?

帶同步整流的圖騰柱是效率最高的實現方式。雖然它可以在低頻率橋臂使用硅（Si）MOSFET，但只有全部四個碳化硅（SiC）MOSFET 實現了雙向運行 — 例如，在連接智能電網的應用中，需要在復雜性和物料清單成本方面做出一些權衡。

包括服務器電源在內的大多數成本敏感型應用都采用無橋或“混合”圖騰柱拓撲，在低頻率橋臂上使用價格低廉的 PIN 二極管（圖 6）。它的優點是所使用的部件數量最少，而且隨著 Wolfspeed 的 650V 耐壓等級 C3M 碳化硅（SiC）MOSFET的推出，它是一種具有成本效益的實現方式，與全橋相比，輕負載效率降低不到 0.5%。

圖 6：使用碳化硅（SiC）MOSFET

和二極管的“混合”圖騰柱拓撲

然而，如圖 7 所示，要充分發揮圖騰柱 PFC 拓撲的潛力，實現高于 99% 的峰值效率，利用全部四個碳化硅（SiC）MOSFET 的全橋圖騰柱 PFC 可以消除二極管壓降，從而實現最高的效率和功率密度。

圖 7：借助全碳化硅（SiC）MOSFET 的全橋圖騰柱 PFC

Wolfspeed CRD-03600AD065E-L 3.6 kW 參考設計已經證明了這一點。該參考設計包括了物料清單、原理圖、電路板布局、演示文件、應用指南等，可以下載獲取。它采用 Wolfspeed 最新的緊湊、薄型 TOLL 封裝 650 V 45 mΩ MOSFET，實現效率大于 99%，且功率密度達到 92W/in3。

這種基于碳化硅（SiC）的圖騰柱設計可為交流-直流轉換提供盡可能高的效率，使工程師能夠設計出滿足或超過最嚴格效率要求（如 80+ 鈦標準）的系統。

如需對您的設計進行仿真，可使用在線 SpeedFit 設計仿真器或 SpeedVal Kit 模塊化評估平臺，后者為系統性能的在板評估提供了一套靈活的構建模塊。如有疑問，請在我們的功率應用在線討論平臺上與 Wolfspeed 的碳化硅功率專家聯系，或瀏覽我們網站上的文檔、工具和支持等部分。

審核編輯：湯梓紅