圖騰柱PFC階段隨著SiC FET的成熟而成熟

在美國(guó)太平洋西北部發(fā)現(xiàn)的圖騰柱具有一系列功能，從裝飾到紀(jì)念，有些簽署歡迎，有些是公開(kāi)羞辱或嘲笑的練習(xí)。我不確定當(dāng)工程師決定將這個(gè)名字應(yīng)用于TTL邏輯中以互補(bǔ)方式驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)晶體管的堆棧時(shí)，我不確定哪個(gè)，但這個(gè)術(shù)語(yǔ)現(xiàn)在肯定是電源世界的一個(gè)受歡迎的補(bǔ)充，以“圖騰柱”功率因數(shù)校正階段的形式。與紀(jì)念性雕刻的聯(lián)系仍然有點(diǎn)脆弱，但與TTL輸出級(jí)的相似性仍然存在 - 兩組堆疊開(kāi)關(guān)，交替驅(qū)動(dòng)，一個(gè)支腿在交流線(xiàn)路頻率下，一個(gè)支路在高頻下。

圖1.圖騰柱PFC電路

這種布置的要點(diǎn)是，它可以被解構(gòu)為相當(dāng)于一個(gè)全橋交流整流器，然后是一個(gè)功率因數(shù)校正升壓電路，但實(shí)際上與功率流一致的元件更少，損耗更低。圖騰柱電路中只需要兩個(gè)線(xiàn)路交流整流二極管，甚至可以用同步整流MOSFET代替，以實(shí)現(xiàn)更低的損耗。它的規(guī)模在于，橋式整流器在AC/DC轉(zhuǎn)換器的低壓線(xiàn)路下可能導(dǎo)致接近2%的效率損失，而當(dāng)端到端電源的目標(biāo)效率為96%以滿(mǎn)足80+鈦標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，2%是非常值得消除的。

工作原理

在電路中，對(duì)于線(xiàn)路交流的一個(gè)極性，一個(gè)開(kāi)關(guān)（例如Q1）設(shè)置為導(dǎo)通，Q2設(shè)置為阻塞。然后將該極性功率饋送到Q3和Q4，形成經(jīng)典的PFC升壓轉(zhuǎn)換器，Q3作為開(kāi)關(guān)，Q4作為同步整流器工作，從標(biāo)準(zhǔn)電源產(chǎn)生約400V DC。在另一個(gè)交流線(xiàn)路極性上，Q2導(dǎo)通，Q1模塊和半正弦的相反極性被路由到升壓轉(zhuǎn)換器，但現(xiàn)在Q4是開(kāi)關(guān)，Q3配置為同步整流器，產(chǎn)生相同的高壓直流軌。采用同步開(kāi)關(guān)作為二極管時(shí)，電路的導(dǎo)通損耗僅受半導(dǎo)體導(dǎo)通電阻以及電感和連接歐姆電阻的限制。隨著開(kāi)關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，例如MOSFET現(xiàn)在可以具有RDS（開(kāi)啟）這些值似乎使它們?cè)谙鄬?duì)高功率的電路中成為理想之選。但有一個(gè)問(wèn)題，對(duì)于硅MOSFET，動(dòng)態(tài)損耗可能非常高，以至于電路無(wú)法工作。主要問(wèn)題是在用作升壓同步整流器時(shí)，MOSFET的體二極管恢復(fù)導(dǎo)致功耗。MOSFET通道被主動(dòng)驅(qū)動(dòng)和打開(kāi)之間始終存在一個(gè)“死區(qū)時(shí)間”，以避免交叉?zhèn)鲗?dǎo)，在此期間，積分體二極管通過(guò)“換向”傳導(dǎo)，存儲(chǔ)有問(wèn)題的電荷。這種效應(yīng)僅在“連續(xù)導(dǎo)通”模式下發(fā)生，其中電感電流在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中永遠(yuǎn)不會(huì)降至零，但這是較高功率下的首選模式，可將開(kāi)關(guān)和電感中的峰值和均方根電流保持在實(shí)際值內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通損耗。

寬帶隙開(kāi)關(guān)可實(shí)現(xiàn)可行的解決方案

因此，圖騰柱PFC階段從最初的提案到半導(dǎo)體技術(shù)以寬帶隙半導(dǎo)體的形式趕上，作為一種誘人的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)萎靡不振。碳化硅MOSFET的體二極管反向恢復(fù)電荷比硅MOSFET低得多，而氮化鎵HEMT電池根本沒(méi)有，因此拓?fù)涞臅r(shí)代已經(jīng)到來(lái)。我們現(xiàn)在可以現(xiàn)實(shí)地談?wù)揂C/DC前端中99%以上的效率，但是實(shí)際實(shí)現(xiàn)仍然存在一些困難，因?yàn)镾iC MOSFET和GaN都需要非常特定的柵極驅(qū)動(dòng)條件來(lái)提取效率的最后一小點(diǎn)并保持可靠性。

柵極驅(qū)動(dòng)問(wèn)題可以通過(guò)設(shè)計(jì)UnitedSiC的SiC FET來(lái)解決，SiC JFET和硅MOSFET的級(jí)聯(lián)組合。柵極現(xiàn)在可以以“正常”MOSFET或IGBT電平驅(qū)動(dòng)，安全裕度很大，達(dá)到絕對(duì)最大值+/-值，在完全導(dǎo)通器件時(shí)具有穩(wěn)定的閾值電平，在很大程度上與時(shí)間和溫度無(wú)關(guān)。但是等等，還有更多 – SiC FET 在相同電壓等級(jí)下與 SiC MOSFET 和 GaN 晶體管在相同芯片面積下的導(dǎo)通電阻要低得多，因此每個(gè)晶圓的芯片得到改善，相反，對(duì)于相同的導(dǎo)通電阻，芯片面積可以更小，從而降低器件電容，從而降低開(kāi)關(guān)損耗。最終結(jié)果是更低的總損耗，簡(jiǎn)單的柵極驅(qū)動(dòng)，并確?？煽啃圆粫?huì)因GaN器件中不存在的高能量雪崩額定值而受到影響。

圖騰這個(gè)詞來(lái)自阿爾岡昆語(yǔ)“odoodem”，意思是“親屬群體”，也許是對(duì)優(yōu)雅拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和近乎理想的 SiC FET 開(kāi)關(guān)的幸福結(jié)合的一個(gè)很好的參考。

審核編輯：郭婷