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              ?碳化硅助力實現PFC技術的變革

              WOLFSPEED ? 來源:WOLFSPEED ? 作者:Wolfspeed ? 2024-01-02 10:01 ? 次閱讀

              碳化硅助力實現 PFC 技術的變革

              作者:Wolfspeed 產品市場經理 Eric Schulte

              碳化硅(SiC)功率器件已經被廣泛應用于服務器電源、儲能系統和光伏逆變器等領域。近些年來,汽車行業向電力驅動的轉變推動了碳化硅(SiC)應用的增長, 也使設計工程師更加關注該技術的優勢,并拓寬其應用領域。

              選擇器件技術

              無論應用領域如何,每個電源設計都是以回答一些相同的基本問題著手進行的:輸入電壓、輸出電壓和輸出電流分別是多少?接下來,設計人員要考慮他們力圖在最終產品中實現的性能標準。目前,電源設計人員可以利用多種器件來滿足這些標準,包括氮化鎵(GaN)、碳化硅(SiC)和各種基于硅(Si)的技術,如 MOSFET、絕緣柵雙極晶體管IGBT)和超級結(SJ)器件(圖 1)。

              wKgZomWTbmqAF_dTAABrA04tzPg592.jpg

              圖 1:這些技術都有各自的優勢和最適用的應用領域

              當額定擊穿電壓低于 400 V,且設計要求以低于 1 kW 的功率進行相對低頻率的操作時,硅(Si)通常是一個不錯的選擇。在制造 USB 充電器等需要高開關頻率以減小磁性元件尺寸的緊湊型應用時,氮化鎵(GaN)是一個極佳的選擇。在功率超過 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,對于更高的開關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,多個選擇間形成的中心位置位于中等偏高的電壓和開關頻率。然而,碳化硅(SiC)的高效率使其成為一個令人信服的選擇,因為對于物料清單成本和運營成本的權衡可能是一個決定性的因素。

              Wolfspeed 碳化硅(SiC)器件具有極低的導通電阻,這意味著導通損耗低且效率高。在這方面,與硅(Si)和氮化鎵(GaN)相比(圖 2),碳化硅(SiC)在所有應用中均優于其他技術。該材料自身特性使得導通電阻隨溫度的波動小,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。

              wKgZomWTbmqANPRNAABw5z_I8-A006.jpg

              圖 2:Wolfspeed 碳化硅(SiC)器件

              可在很寬的溫度范圍內保持穩定的低 RDS(ON)

              實現 PFC 技術的變革

              現代電源整流器是從簡單的橋式整流器發展而來的,這種整流器只需要一個“大法拉電容器”來平滑直流輸出。增加的無源功率因數校正(PFC)階段通常帶有一個工頻頻率的 LC 濾波器。這種方法適用于對效率和尺寸沒有嚴格要求的相對低功率的應用(圖 3)。

              wKgaomWTbmqAcmGNAACmLgwWwOI453.jpg

              圖 3:全橋整流器從簡單的無 PFC

              發展到基本的無橋 PFC

              如今,大多數開關電源中,升壓轉換器二極管整流橋之后作為主動 PFC 使用,其開關頻率比工頻頻率高幾個數量級,因此可以使用更小的電感器電容器。根據具體應用,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百分點。

              另一方面,將開關頻率從 80 kHz 提高到 200 kHz 可以縮小外形尺寸或提高功率密度達 60%。一般來說,提高開關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,當頻率從 200 kHz 提高到 400 kHz 時,銅損耗趨于平穩,而電感器磁芯損耗則持續增加。其結果是收益遞減,尺寸縮小 10% 至 15%,功率損耗則增加 10% 至 15%。對于那些必須縮小尺寸的應用,這或許是一個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 MOSFET 替換橋式電路中的兩個底部二極管。左邊的開關在正半周提升電壓,右邊的開關在負半周提升電壓。

              基本無橋電路所面臨的挑戰是,高頻率開關節點直接連至交流輸入,而直流接地相對于交流輸入是浮動的。這會導致任何寄生電容直接變成共模 EMI。解決這一問題的常見方法是通過使用無橋雙 Boost 或叫做半無橋來實現(圖 4,左)。

              wKgaomWTbmqAJD0lAABWdwWH3wA419.jpg

              圖 4:比較無橋雙 Boost 解決方案(左)和采用碳化硅

              (SiC)實現的全橋演進形式即圖騰柱拓撲(右)

              在這種拓撲結構中,左下方的兩個二極管消除了浮動接地問題,而拆分電感器則消除了開關節點與交流電源的直接連接,從而解決了共模 EMI 問題。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,需兩個電感器,進而總物料清單成本可能更高。

              圖騰柱拓撲

              圖騰柱拓撲是無橋雙 Boost 拓撲的備選方案,其名稱來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,也可以做成無橋版本,即把右側低頻率橋臂的 MOSFET 替換為二極管。

              如果在連續導通模式 (CCM) 條件下工作,圖騰柱拓撲面臨的最大挑戰是來自 MOSFET 體二極管的反向恢復電荷。在從低壓側開關轉換到高壓側開關的過程中,兩個 MOSFET 不能同時導通,體二極管必須在死區時間內導通。硅(Si)的反向恢復特性降低其效率(圖 5)。

              wKgaomWTbmqAXxkQAAB2Ptfay7U707.jpg

              圖 5:碳化硅(SiC)與硅(Si)體二極管反向恢復比較

              在所有硬開關電源設計中,當體二極管必須導通時,都會產生反向恢復損耗。碳化硅(SiC)沒有少數載流子,因此反向恢復電流幾乎為零。

              而硅(Si)MOSFET 的損耗則要高出幾個數量級。這就是硅(Si)器件在圖騰柱中無法使用的原因。

              全橋圖騰柱還是混合圖騰柱?

              同步整流的圖騰柱是效率最高的實現方式。雖然它可以在低頻率橋臂使用硅(Si)MOSFET,但只有全部四個碳化硅(SiC)MOSFET 實現了雙向運行 — 例如,在連接智能電網的應用中,需要在復雜性和物料清單成本方面做出一些權衡。

              包括服務器電源在內的大多數成本敏感型應用都采用無橋或“混合”圖騰柱拓撲,在低頻率橋臂上使用價格低廉的 PIN 二極管(圖 6)。它的優點是所使用的部件數量最少,而且隨著 Wolfspeed 的 650V 耐壓等級 C3M 碳化硅(SiC)MOSFET的推出,它是一種具有成本效益的實現方式,與全橋相比,輕負載效率降低不到 0.5%。

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              圖 6:使用碳化硅(SiC)MOSFET

              和二極管的“混合”圖騰柱拓撲

              然而,如圖 7 所示,要充分發揮圖騰柱 PFC 拓撲的潛力,實現高于 99% 的峰值效率,利用全部四個碳化硅(SiC)MOSFET 的全橋圖騰柱 PFC 可以消除二極管壓降,從而實現最高的效率和功率密度。

              wKgZomWTbmqAOQHdAABL-d-DtiU632.jpg

              圖 7:借助全碳化硅(SiC)MOSFET 的全橋圖騰柱 PFC

              Wolfspeed CRD-03600AD065E-L 3.6 kW 參考設計已經證明了這一點。該參考設計包括了物料清單、原理圖、電路板布局、演示文件、應用指南等,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,實現效率大于 99%,且功率密度達到 92W/in3。

              這種基于碳化硅(SiC)的圖騰柱設計可為交流-直流轉換提供盡可能高的效率,使工程師能夠設計出滿足或超過最嚴格效率要求(如 80+ 鈦標準)的系統。

              如需對您的設計進行仿真,可使用在線 SpeedFit 設計仿真器或 SpeedVal Kit 模塊化評估平臺,后者為系統性能的在板評估提供了一套靈活的構建模塊。如有疑問,請在我們的功率應用在線討論平臺上與 Wolfspeed 的碳化硅功率專家聯系,或瀏覽我們網站上的文檔、工具和支持等部分。

              審核編輯:湯梓紅

              聲明:本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人,不代表電子發燒友網立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用,如有內容侵權或者其他違規問題,請聯系本站處理。 舉報投訴
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              原文標題:?碳化硅助力實現 PFC 技術的變革

              文章出處:【微信號:WOLFSPEED,微信公眾號:WOLFSPEED】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

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