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?碳化硅助力實(shí)現(xiàn) PFC 技術(shù)的變革

發(fā)布時(shí)間:2024-01-03 責(zé)任編輯:lina

【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,汽車行業(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,汽車行業(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,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)。


碳化硅助力實(shí)現(xiàn) PFC 技術(shù)的變革

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 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(duì)于更高的開關(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。


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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)展而來的,這種整流器只需要一個(gè)“大法拉電容器”來平滑直流輸出。增加的無源功率因數(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)效率和尺寸沒有嚴(yán)格要求的相對(duì)低功率的應(yīng)用(圖 3)。



碳化硅助力實(shí)現(xiàn) PFC 技術(shù)的變革

圖 3:全橋整流器從簡(jiǎn)單的無 PFC發(fā)展到基本的無橋 PFC


如今,大多數(shù)開關(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%。一般來說,提高開關(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。左邊的開關(guān)在正半周提升電壓,右邊的開關(guān)在負(fù)半周提升電壓。

基本無橋電路所面臨的挑戰(zhàn)是,高頻率開關(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。解決這一問題的常見方法是通過使用無橋雙 Boost 或叫做半無橋來實(shí)現(xiàn)(圖 4,左)。


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圖 4:比較無橋雙 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)接地問題,而拆分電感器則消除了開關(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橋雙 Boost 拓?fù)涞膫溥x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(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)是來自 MOSFET 體二極管的反向恢復(fù)電荷。在從低壓側(cè)開關(guān)轉(zhuǎn)換到高壓側(cè)開關(guān)的過程中,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)。


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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%。


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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。


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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,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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