碳化硅助力實(shí)現(xiàn) PFC 技術(shù)的變革

作者：Wolfspeed 產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理 Eric Schulte

碳化硅（SiC）功率器件已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于服務(wù)器電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)和光伏逆變器等領(lǐng)域。近些年來，汽車行業(yè)向電力驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)變推動(dòng)了碳化硅（SiC）應(yīng)用的增長(zhǎng)， 也使設(shè)計(jì)工程師更加關(guān)注該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。

選擇器件技術(shù)

無論應(yīng)用領(lǐng)域如何，每個(gè)電源設(shè)計(jì)都是以回答一些相同的基本問題著手進(jìn)行的：輸入電壓、輸出電壓和輸出電流分別是多少？接下來，設(shè)計(jì)人員要考慮他們力圖在最終產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)的性能標(biāo)準(zhǔn)。目前，電源設(shè)計(jì)人員可以利用多種器件來滿足這些標(biāo)準(zhǔn)，包括氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）和各種基于硅（Si）的技術(shù)，如 MOSFET、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和超級(jí)結(jié)（SJ）器件（圖 1）。

圖 1：這些技術(shù)都有各自的優(yōu)勢(shì)和最適用的應(yīng)用領(lǐng)域

當(dāng)額定擊穿電壓低于 400 V，且設(shè)計(jì)要求以低于 1 kW 的功率進(jìn)行相對(duì)低頻率的操作時(shí)，硅（Si）通常是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。在制造 USB 充電器等需要高開關(guān)頻率以減小磁性元件尺寸的緊湊型應(yīng)用時(shí)，氮化鎵（GaN）是一個(gè)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(duì)于更高的開關(guān)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(gè)選擇間形成的中心位置位于中等偏高的電壓和開關(guān)頻率。然而，碳化硅（SiC）的高效率使其成為一個(gè)令人信服的選擇，因?yàn)閷?duì)于物料清單成本和運(yùn)營(yíng)成本的權(quán)衡可能是一個(gè)決定性的因素。

Wolfspeed 碳化硅（SiC）器件具有極低的導(dǎo)通電阻，這意味著導(dǎo)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(yīng)用中均優(yōu)于其他技術(shù)。該材料自身特性使得導(dǎo)通電阻隨溫度的波動(dòng)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(nèi)保持穩(wěn)定的低 RDS(ON)

實(shí)現(xiàn) PFC 技術(shù)的變革

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

圖 3：全橋整流器從簡(jiǎn)單的無 PFC

發(fā)展到基本的無橋 PFC

如今，大多數(shù)開關(guān)電源中，升壓轉(zhuǎn)換器在二極管整流橋之后作為主動(dòng) PFC 使用，其開關(guān)頻率比工頻頻率高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此可以使用更小的電感器和電容器。根據(jù)具體應(yīng)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(gè)百分點(diǎn)。

另一方面，將開關(guān)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(dá) 60%。一般來說，提高開關(guān)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(dāng)頻率從 200 kHz 提高到 400 kHz 時(shí)，銅損耗趨于平穩(wěn)，而電感器磁芯損耗則持續(xù)增加。其結(jié)果是收益遞減，尺寸縮小 10% 至 15%，功率損耗則增加 10% 至 15%。對(duì)于那些必須縮小尺寸的應(yīng)用，這或許是一個(gè)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(gè) MOSFET 替換橋式電路中的兩個(gè)底部二極管。左邊的開關(guān)在正半周提升電壓，右邊的開關(guān)在負(fù)半周提升電壓。

基本無橋電路所面臨的挑戰(zhàn)是，高頻率開關(guān)節(jié)點(diǎn)直接連至交流輸入，而直流接地相對(duì)于交流輸入是浮動(dòng)的。這會(huì)導(dǎo)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(shí)現(xiàn)（圖 4，左）。

圖 4：比較無橋雙 Boost 解決方案（左）和采用碳化硅

（SiC）實(shí)現(xiàn)的全橋演進(jìn)形式即圖騰柱拓?fù)洌ㄓ遥?/p>

在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，左下方的兩個(gè)二極管消除了浮動(dòng)接地問題，而拆分電感器則消除了開關(guān)節(jié)點(diǎn)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(gè)電感器，進(jìn)而總物料清單成本可能更高。

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