碳化硅@@@@助力实现@@@@ PFC 技术@@的@@变革@@

judy — Tue, 02 Jan 2024 04:01:22 +0000

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@@188足彩外围@@app 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@@。

英文原文@@，敬请访问@@：https://www.powersystemsdesign.com/articles/silicon-carbide-enables-pfc-...

关于@@ Wolfspeed, Inc.
Wolfspeed（美国纽约证券交易所上市代码@@: WOLF）引领碳化硅@@@@@@（SiC）技术@@在全球市场的@@采用@@。我们为高效能源节约和可持续未来提供业界领先的@@解决方案@@@@。Wolfspeed 产品家族包括了@@ SiC 材料@@、功率器件@@@@，针对电动汽车@@、快速充电@@、可再生能源和储能等多种应用@@。我们通过勤勉工作@@、合作以及对于创新的@@热情@@，开启更多可能@@。了解更多详情@@，敬请访问@@ www.wolfspeed.com。

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