圖騰柱PFC電路中的SiC FET可以實(shí)現(xiàn)承諾的效率增益

互聯(lián)網(wǎng)不知道是誰(shuí)首先創(chuàng)造了“無(wú)橋圖騰柱功率因數(shù)校正階段”一詞，但它一定是在異想天開(kāi)和靈感的時(shí)刻發(fā)明和命名的——在 AC/DC 電源中，該電路可以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，并通過(guò)消除對(duì)線路交流橋式整流器的需求，在低線路時(shí)有效地將效率提高多達(dá) 2%。讓我們進(jìn)一步研究它，并將其稱為“TPPFC”，以將字符數(shù)保持在范圍內(nèi)。

需要理想的開(kāi)關(guān)

TPPFC架構(gòu)在2011年左右首次展示，采用理想開(kāi)關(guān)和低損耗磁性元件，理論上該電路的效率可以接近100%。不過(guò)，這是一個(gè)更早的想法，因?yàn)楦哳l升壓開(kāi)關(guān)的半導(dǎo)體還不夠“理想”，至少直到最近。問(wèn)題在于導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗之間的權(quán)衡——為了降低導(dǎo)通電阻和導(dǎo)通損耗，需要更大的有效芯片面積，但這會(huì)導(dǎo)致更高的器件電容和更高的動(dòng)態(tài)損耗。還有一個(gè)問(wèn)題是，TPPFC必須在中等功率水平的“硬開(kāi)關(guān)”連續(xù)導(dǎo)通模式下工作，以保持峰值電流可控，這需要恢復(fù)開(kāi)關(guān)體二極管中存儲(chǔ)的電荷。當(dāng)使用硅MOSFET時(shí)，電荷很大，由此產(chǎn)生的耗散足夠高，使得電路不值得任何小的凈增益，特別是當(dāng)考慮到開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)和控制的成本和復(fù)雜性時(shí)。

我們正在通過(guò)寬帶隙半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)

不過(guò)，2%的理論效率增益很有吸引力 - 諸如“80+ Titanium”之類的服務(wù)器效率標(biāo)準(zhǔn)要求在4VAC和230%負(fù)載下的AC/DC電源中端到端總共只有50%的損耗。由于通常將2%分配給交流前端，因此必須使用新技術(shù)重新審視TPPFC以提升其性能，并且使用寬帶隙開(kāi)關(guān)，情況發(fā)生了變化。碳化硅和氮化鎵是候選者，雖然與硅相比，SiC MOSFET的反向恢復(fù)率降低了80%，但GaN實(shí)際上沒(méi)有。輸出電容也低于硅MOSFET，因?yàn)樵谙嗤妷旱燃?jí)下，WBG芯片通常小于硅。這是WBG材料具有更高臨界電場(chǎng)的直接結(jié)果，WBG材料處理相同的峰值電壓，具有更薄，更重的摻雜電壓支持區(qū)域，從而具有較低的導(dǎo)通電阻。SiC和GaN的低損耗優(yōu)勢(shì)可以用品質(zhì)因數(shù)R來(lái)概括DS（開(kāi)啟）x A 和 RDS（開(kāi)啟）x E開(kāi)放源碼軟件，第一個(gè)表示導(dǎo)通電阻和芯片面積之間的權(quán)衡，第二個(gè)表示導(dǎo)通電阻和由于輸出電容而造成的開(kāi)關(guān)能量損失之間的權(quán)衡。

WBG器件使TPPFC級(jí)變得可行，該電路現(xiàn)在很常見(jiàn)，但花園里的一切都不是樂(lè)觀的，因?yàn)镾iC和GaN的這些主要優(yōu)勢(shì)隱藏了一些實(shí)際實(shí)施困難。SiC MOSFET的恢復(fù)電荷肯定很低，但體二極管的正向壓降非常高，增加了一些損耗。柵極驅(qū)動(dòng)對(duì)閾值遲滯和可變性也很敏感，推薦的完全增強(qiáng)高電壓危險(xiǎn)地接近絕對(duì)最大值。相反，GaN器件具有低柵極閾值電壓，存在開(kāi)關(guān)瞬變的雜散和災(zāi)難性導(dǎo)通風(fēng)險(xiǎn)。這可以通過(guò)負(fù)的關(guān)驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)緩解，但是當(dāng)器件在通道增強(qiáng)之前反向?qū)〞r(shí)，這會(huì)導(dǎo)致電壓降過(guò)大，從而增加損耗。GaN也仍然相對(duì)昂貴。

碳化硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管 – 盡善盡美

不過(guò)，還有另一種選擇，半導(dǎo)體制造商幾十年來(lái)一直知道將高壓開(kāi)關(guān)與低壓類型相結(jié)合的“級(jí)聯(lián)”技術(shù)，以在傳導(dǎo)和開(kāi)關(guān)損耗方面獲得優(yōu)勢(shì)。在其寬帶隙化身中，常導(dǎo)的SiC JFET與低壓硅MOSFET配對(duì)，以產(chǎn)生常關(guān)的器件，具有非關(guān)鍵柵極驅(qū)動(dòng)，低損耗體二極管和WBG器件的所有優(yōu)點(diǎn)。UnitedSiC 可將其作為“SiC FET”提供，能夠以非常小的芯片尺寸快速切換，從而實(shí)現(xiàn)低電容和低動(dòng)態(tài)損耗。JFET可有效設(shè)置傳導(dǎo)損耗，其簡(jiǎn)單的垂直結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻，即使芯片尺寸較小。好處的證明就在這些品質(zhì)因數(shù)中。圖 1 顯示了 750V 碳化硅 FET 如何與 650V 碳化硅 MOSFET 抗衡。

圖1.碳化硅 FET 在關(guān)鍵品質(zhì)因數(shù)方面優(yōu)于碳化硅 MOSFET

圖騰柱PFC電路中的SiC FET不僅可以實(shí)現(xiàn)承諾的效率增益，而且易于實(shí)現(xiàn)?？梢哉f(shuō)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和 SiC FET 開(kāi)關(guān)的組合是“圖騰”——象征著可實(shí)現(xiàn)的最佳目標(biāo)。

審核編輯：郭婷