【導(dǎo)讀】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(lái)，汽車(chē)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。
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(lái)，汽車(chē)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(wú)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(wèn)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(lái)，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(lái)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(kāi)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(guò) 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(guò)，對(duì)于更高的開(kāi)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(kāi)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(lái)的，這種整流器只需要一個(gè)“大法拉電容器”來(lái)平滑直流輸出。增加的無(wú)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(méi)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(wú) PFC發(fā)展到基本的無(wú)橋 PFC
如今，大多數(shù)開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(lái)說(shuō)，提高開(kāi)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(kāi)關(guān)在正半周提升電壓，右邊的開(kāi)關(guān)在負(fù)半周提升電壓。
基本無(wú)橋電路所面臨的挑戰(zhàn)是，高頻率開(kāi)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(wèn)題的常見(jiàn)方法是通過(guò)使用無(wú)橋雙 Boost 或叫做半無(wú)橋來(lái)實(shí)現(xiàn)（圖 4，左）。
圖 4：比較無(wú)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(wèn)題，而拆分電感器則消除了開(kāi)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(wèn)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。
圖騰柱拓?fù)?/p>
圖騰柱拓?fù)涫菬o(wú)橋雙 Boost 拓?fù)涞膫溥x方案，其名稱來(lái)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(wú)橋版本，即把右側(cè)低頻率橋臂的 MOSFET 替換為二極管。
如果在連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 條件下工作，圖騰柱拓?fù)涿媾R的最大挑戰(zhàn)是來(lái)自 MOSFET 體二極管的反向恢復(fù)電荷。在從低壓側(cè)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換到高壓側(cè)開(kāi)關(guān)的過(guò)程中，兩個(gè) MOSFET 不能同時(shí)導(dǎo)通，體二極管必須在死區(qū)時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通。硅（Si）的反向恢復(fù)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(fù)比較
在所有硬開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中，當(dāng)體二極管必須導(dǎo)通時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生反向恢復(fù)損耗。碳化硅（SiC）沒(méi)有少數(shù)載流子，因此反向恢復(fù)電流幾乎為零。
而硅（Si）MOSFET 的損耗則要高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這就是硅（Si）器件在圖騰柱中無(wú)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(shí)現(xiàn)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(gè)碳化硅（SiC）MOSFET 實(shí)現(xiàn)了雙向運(yùn)行 — 例如，在連接智能電網(wǎng)的應(yīng)用中，需要在復(fù)雜性和物料清單成本方面做出一些權(quán)衡。
包括服務(wù)器電源在內(nèi)的大多數(shù)成本敏感型應(yīng)用都采用無(wú)橋或“混合”圖騰柱拓?fù)?，在低頻率橋臂上使用價(jià)格低廉的 PIN 二極管（圖 6）。它的優(yōu)點(diǎn)是所使用的部件數(shù)量最少，而且隨著 Wolfspeed 的 650V 耐壓等級(jí) C3M 碳化硅（SiC）MOSFET的推出，它是一種具有成本效益的實(shí)現(xiàn)方式，與全橋相比，輕負(fù)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?fù)?/p>
然而，如圖 7 所示，要充分發(fā)揮圖騰柱 PFC 拓?fù)涞臐摿?，?shí)現(xiàn)高于 99% 的峰值效率，利用全部四個(gè)碳化硅（SiC）MOSFET 的全橋圖騰柱 PFC 可以消除二極管壓降，從而實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)已經(jīng)證明了這一點(diǎn)。該參考設(shè)計(jì)包括了物料清單、原理圖、電路板布局、演示文件、應(yīng)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(shí)現(xiàn)效率大于 99%，且功率密度達(dá)到 92W/in3。
這種基于碳化硅（SiC）的圖騰柱設(shè)計(jì)可為交流-直流轉(zhuǎn)換提供盡可能高的效率，使工程師能夠設(shè)計(jì)出滿足或超過(guò)最嚴(yán)格效率要求（如 80+ 鈦標(biāo)準(zhǔn)）的系統(tǒng)。
如需對(duì)您的設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真，可使用在線 SpeedFit? 設(shè)計(jì)仿真器或 SpeedVal Kit? 模塊化評(píng)估平臺(tái)，后者為系統(tǒng)性能的在板評(píng)估提供了一套靈活的構(gòu)建模塊。如有疑問(wèn)，請(qǐng)?jiān)谖覀兊墓β蕬?yīng)用在線討論平臺(tái)上與 Wolfspeed 的碳化硅功率專家聯(lián)系，或?yàn)g覽我們網(wǎng)站上的文檔、工具和支持等部分。
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