【導讀】碳化矽（SiC）功率器件已經被廣泛應用於服務器電源、儲能係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矽（SiC）應用的增長， 也使設計工程師更加關注該技術的優勢
，並拓寬其應用領域。

碳化矽（SiC）功率器件已經被廣泛應用於服務器電源、儲能係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矽（SiC）應用的增長， 也使設計工程師更加關注該技術的優勢
，並拓寬其應用領域。

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shu出chu電dian壓ya和he輸shu出chu電dian流liu分fen別bie是shi多duo少shao？接jie下xia來lai
，設she計ji人ren員yuan要yao考kao慮lv他ta們men力li圖tu在zai最zui終zhong產chan品pin中zhong實shi現xian的de性xing能neng標biao準zhun。目mu前qian

，電dian源yuan設she計ji人ren員yuan可ke以yi利li用yong多duo種zhong器qi件jian來lai滿man足zu這zhe些xie標biao準zhun，包bao括kuo氮dan化hua镓jia（GaN）、碳化矽（SiC）和各種基於矽（Si）的技術，如 MOSFET、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）和超級結（SJ）器件（圖 1）。

圖 1：這些技術都有各自的優勢和最適用的應用領域

當額定擊穿電壓低於 400 V，且設計要求以低於 1 kW 的功率進行相對低頻率的操作時，矽（Si）通常是一個不錯的選擇。在製造 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


，氮化镓（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於 600 V 至 1,700 V 的情況下，IGBT 可與碳化矽（SiC）考慮一同使用。不過，對於更高的開關頻率或更高的功率密度而言，碳化矽（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於中等偏高的電壓和開關頻率。然而，碳化矽（SiC）的高效率使其成為一個令人信服的選擇
，因為對於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 碳化矽（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。在這方麵，與矽（Si）和氮化镓（GaN）相比（圖 2）

，碳化矽（SiC）在所有應用中均優於其他技術。該材料自身特性使得導通電阻隨溫度的波動小，而氮化镓（GaN）和矽（Si）的 RDS(ON) 則比室溫下的額定值增加 2.5 倍或更多。

圖 2：Wolfspeed 碳化矽（SiC）器件可在很寬的溫度範圍內保持穩定的低 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，這種整流器隻需要一個“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。這種方法適用於對效率和尺寸沒有嚴格要求的相對低功率的應用（圖 3）。

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，升壓轉換器在二極管整流橋之後作為主動 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和電容器。根據具體應用

，在有源 PFC 電路中用碳化矽（SiC）二極管取代矽（Si）基二極管可將能效提高兩至三個百分點。

另一方麵，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，提高開關頻率有助於縮小電感器的尺寸

，並且減少電感器的銅損耗。

然而，當頻率從 200 kHz 提高到 400 kHz 時，銅損耗趨於平穩，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%。對於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，就必須重新繪製電路
，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，並用兩個 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。

jibenwuqiaodianlusuomianlindetiaozhanshi，gaopinlvkaiguanjiedianzhijielianzhijiaoliushuru，erzhiliujiedixiangduiyujiaoliushurushifudongde。zhehuidaozhirenhejishengdianrongzhijiebianchenggongmo 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）。

圖 4：比較無橋雙 Boost 解決方案（左）和采用碳化矽（SiC）實現的全橋演進形式即圖騰柱拓撲（右）

在zai這zhe種zhong拓tuo撲pu結jie構gou中zhong，左zuo下xia方fang的de兩liang個ge二er極ji管guan消xiao除chu了le浮fu動dong接jie地di問wen題ti，而er拆chai分fen電dian感gan器qi則ze消xiao除chu了le開kai關guan節jie點dian與yu交jiao流liu電dian源yuan的de直zhi接jie連lian接jie
，從cong而er解jie決jue了le共gong模mo EMI 問題。雖然可以使用矽（Si）MOSFET，但它們的最高效率為 95% 至 96%，且占地麵積更大

，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

，其名稱來源於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，圖騰柱拓撲麵臨的最大挑戰是來自 MOSFET 體二極管的反向恢複電荷。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。矽（Si）的反向恢複特性降低其效率（圖 5）。

圖 5：碳化矽（SiC）與矽（Si）體二極管反向恢複比較

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

而矽（Si）MOSFET 的損耗則要高出幾個數量級。這就是矽（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現方式。雖然它可以在低頻率橋臂使用矽（Si）MOSFET，但隻有全部四個碳化矽（SiC）MOSFET 實現了雙向運行 — 例如，在連接智能電網的應用中
，需要在複雜性和物料清單成本方麵做出一些權衡。

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 碳化矽（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%。

圖 6：使用碳化矽（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，實現高於 99% 的峰值效率，利用全部四個碳化矽（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。

圖 7：借助全碳化矽（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，實現效率大於 99%
，且功率密度達到 92W/in3。

這種基於碳化矽（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）的係統。

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™ 模塊化評估平台
，後者為係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台上與 Wolfspeed 的碳化矽功率專家聯係，或瀏覽我們網站上的文檔
、工具和支持等部分。

本文轉載自：Qorvo半導體

免責聲明：本文為轉載文章
，轉載此文目的在於傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問題，請聯係小編進行處理。

推薦閱讀：

『這個知識不太冷』探索 RF 濾波器技術（上）

功率放大器模塊及其在5G設計中的作用

Rivian 使用 MATLAB 和 MATLAB Parallel Server 擴展整車仿真

為什麼去耦電容要靠近用電器件的電源管腳？

半導體創新如何塑造邊緣 AI 的未來