碳化硅助力实现 PFC 技术的变革
作者：Wolfspeed 产品市场经理 Eric Schulte
碳化硅（SiC）功率器件已经被广泛应用于服务器电源、储能系统和光伏逆变器等领域。近些年来，汽车行业向电力驱动的转变推动了碳化硅（SiC）应用的增长， 也使设计工程师更加关注该技术的优势，并拓宽其应用领域。
选择器件技术
无论应用领域如何，每个电源设计都是以回答一些相同的基本问题着手进行的：输入电压、输出电压和输出电流分别是多少？接下来，设计人员要考虑他们力图在最终产品中实现的性能标准。目前，电源设计人员可以利用多种器件来满足这些标准，包括氮化镓（GaN）、碳化硅（SiC）和各种基于硅（Si）的技术，如 MOSFET、绝缘栅双极晶体管（IGBT）和超级结（SJ）器件（图 1）。
图 1：这些技术都有各自的优势和最适用的应用领域
当额定击穿电压低于 400 V，且设计要求以低于 1 kW 的功率进行相对低频率的操作时，硅（Si）通常是一个不错的选择。在制造 USB 充电器等需要高开关频率以减小磁性元件尺寸的紧凑型应用时，氮化镓（GaN）是一个极佳的选择。在功率超过 1 kW、低频率条件下的额定电压介于 600 V 至 1,700 V 的情况下，IGBT 可与碳化硅（SiC）考虑一同使用。不过，对于更高的开关频率或更高的功率密度而言，碳化硅（SiC）是最佳选择。
选择的中心
在图 1 中，多个选择间形成的中心位置位于中等偏高的电压和开关频率。然而，碳化硅（SiC）的高效率使其成为一个令人信服的选择，因为对于物料清单成本和运营成本的权衡可能是一个决定性的因素。
Wolfspeed 碳化硅（SiC）器件具有极低的导通电阻，这意味着导通损耗低且效率高。在这方面，与硅（Si）和氮化镓（GaN）相比（图 2），碳化硅（SiC）在所有应用中均优于其他技术。该材料自身特性使得导通电阻随温度的波动小，而氮化镓（GaN）和硅（Si）的 RDS(ON) 则比室温下的额定值增加 2.5 倍或更多。
图 2：Wolfspeed 碳化硅（SiC）器件
可在很宽的温度范围内保持稳定的低 RDS(ON)
实现 PFC 技术的变革
现代电源整流器是从简单的桥式整流器发展而来的，这种整流器只需要一个“大法拉电容器”来平滑直流输出。增加的无源功率因数校正（PFC）阶段通常带有一个工频频率的 LC 滤波器。这种方法适用于对效率和尺寸没有严格要求的相对低功率的应用（图 3）。
图 3：全桥整流器从简单的无 PFC
发展到基本的无桥 PFC
如今，大多数开关电源中，升压转换器在二极管整流桥之后作为主动 PFC 使用，其开关频率比工频频率高几个数量级，因此可以使用更小的电感器和电容器。根据具体应用，在有源 PFC 电路中用碳化硅（SiC）二极管取代硅（Si）基二极管可将能效提高两至三个百分点。
另一方面，将开关频率从 80 kHz 提高到 200 kHz 可以缩小外形尺寸或提高功率密度达 60%。一般来说，提高开关频率有助于缩小电感器的尺寸，并且减少电感器的铜损耗。
然而，当频率从 200 kHz 提高到 400 kHz 时，铜损耗趋于平稳，而电感器磁芯损耗则持续增加。其结果是收益递减，尺寸缩小 10% 至 15%，功率损耗则增加 10% 至 15%。对于那些必须缩小尺寸的应用，这或许是一个可以接受的折衷方案。
要将效率水平提高到 90% 以上，就必须重新绘制电路，去掉二极管桥。为了去掉二极管，一种方法是将电感器移至交流输入端，并用两个 MOSFET 替换桥式电路中的两个底部二极管。左边的开关在正半周提升电压，右边的开关在负半周提升电压。
基本无桥电路所面临的挑战是，高频率开关节点直接连至交流输入，而直流接地相对于交流输入是浮动的。这会导致任何寄生电容直接变成共模 EMI。解决这一问题的常见方法是通过使用无桥双 Boost 或叫做半无桥来实现（图 4，左）。
图 4：比较无桥双 Boost 解决方案（左）和采用碳化硅
（SiC）实现的全桥演进形式即图腾柱拓扑（右）
在这种拓扑结构中，左下方的两个二极管消除了浮动接地问题，而拆分电感器则消除了开关节点与交流电源的直接连接，从而解决了共模 EMI 问题。虽然可以使用硅（Si）MOSFET，但它们的最高效率为 95% 至 96%，且占地面积更大，需两个电感器，进而总物料清单成本可能更高。
图腾柱拓扑
图腾柱拓扑是无桥双 Boost 拓扑的备选方案，其名称来源于晶体管相互堆叠的方式（图 4，右）。如图所示，图腾柱可以做成全桥 MOSFET 版本，也可以做成无桥版本，即把右侧低频率桥臂的 MOSFET 替换为二极管。
如果在连续导通模式 (CCM) 条件下工作，图腾柱拓扑面临的最大挑战是来自 MOSFET 体二极管的反向恢复电荷。在从低压侧开关转换到高压侧开关的过程中，两个 MOSFET 不能同时导通，体二极管必须在死区时间内导通。硅（Si）的反向恢复特性降低其效率（图 5）。
图 5：碳化硅（SiC）与硅（Si）体二极管反向恢复比较
在所有硬开关电源设计中，当体二极管必须导通时，都会产生反向恢复损耗。碳化硅（SiC）没有少数载流子，因此反向恢复电流几乎为零。
而硅（Si）MOSFET 的损耗则要高出几个数量级。这就是硅（Si）器件在图腾柱中无法使用的原因。
全桥图腾柱还是混合图腾柱?
带同步整流的图腾柱是效率最高的实现方式。虽然它可以在低频率桥臂使用硅（Si）MOSFET，但只有全部四个碳化硅（SiC）MOSFET 实现了双向运行 — 例如，在连接智能电网的应用中，需要在复杂性和物料清单成本方面做出一些权衡。
包括服务器电源在内的大多数成本敏感型应用都采用无桥或“混合”图腾柱拓扑，在低频率桥臂上使用价格低廉的 PIN 二极管（图 6）。它的优点是所使用的部件数量最少，而且随着 Wolfspeed 的 650V 耐压等级 C3M 碳化硅（SiC）MOSFET的推出，它是一种具有成本效益的实现方式，与全桥相比，轻负载效率降低不到 0.5%。
图 6：使用碳化硅（SiC）MOSFET
和二极管的“混合”图腾柱拓扑
然而，如图 7 所示，要充分发挥图腾柱 PFC 拓扑的潜力，实现高于 99% 的峰值效率，利用全部四个碳化硅（SiC）MOSFET 的全桥图腾柱 PFC 可以消除二极管压降，从而实现最高的效率和功率密度。
图 7：借助全碳化硅（SiC）MOSFET 的全桥图腾柱 PFC
Wolfspeed CRD-03600AD065E-L 3.6 kW 参考设计已经证明了这一点。该参考设计包括了物料清单、原理图、电路板布局、演示文件、应用指南等，可以下载获取。它采用 Wolfspeed 最新的紧凑、薄型 TOLL 封装 650 V 45 mΩ MOSFET，实现效率大于 99%，且功率密度达到 92W/in3。
这种基于碳化硅（SiC）的图腾柱设计可为交流-直流转换提供尽可能高的效率，使工程师能够设计出满足或超过最严格效率要求（如 80+ 钛标准）的系统。
如需对您的设计进行仿真，可使用在线 SpeedFit 设计仿真器或 SpeedVal Kit 模块化评估平台，后者为系统性能的在板评估提供了一套灵活的构建模块。如有疑问，请在我们的功率应用在线讨论平台上与 Wolfspeed 的碳化硅功率专家联系，或浏览我们网站上的文档、工具和支持等部分。
