最新電源轉(zhuǎn)換拓撲中的SiC FET

(來源：UnitedSiC(現(xiàn)為 Qorvo))

從歷史上看，存在從 AC 到 DC 和 DC 到 DC 的首選電源轉(zhuǎn)換方法。這些都是由隨著時間演變的各種限制條件設(shè)定的。例如，有一天，“功率因數(shù)校正”僅在交流配電中實施，交流/直流電源的 PF 可以達到 0.6 甚至更低。法定限制于 1982 年左右在歐洲出現(xiàn)。因此，某些設(shè)備(例如額定功率超過 75W 的電源，但在照明等某些應(yīng)用中較低)需要“電源諧波抑制”(更準確地說)。這實際上涉及到為每個 AC/DC 添加另一個“升壓”功率轉(zhuǎn)換級，這讓制造商感到懊惱，盡管它確實啟用了其他功能，例如通用輸入和長穿越時間。第一個電路涉及輸入電感器、開關(guān)和整流二極管，效率不高。同樣，超過 100W 左右的 AC/DC 中的 DC/DC 轉(zhuǎn)換級開始時是半橋或全橋形式的簡單正向轉(zhuǎn)換器——相對容易理解和實施，但由于可用的半導(dǎo)體技術(shù)和拓撲的“硬切換”性質(zhì)。

性能規(guī)范，例如 2004 年左右的80 PLUS? 認證計劃，已經(jīng)使這些基本的 PFC 和 DC/DC 轉(zhuǎn)換拓撲無法滿足所需的效率水平：例如，最高的“鈦”級需要在 50 時達到 96% 的效率230VAC 設(shè)備的負載百分比。因此，新技術(shù)得到了發(fā)展，如今，一種流行的組合(可高達幾千瓦)用于實現(xiàn)高功率密度和效率，是“圖騰柱 PFC”(TPPFC) 級后接諧振“CLLC”轉(zhuǎn)換器。

圖騰柱 PFC 階段

TPPFC 通過使用半導(dǎo)體開關(guān)作為同步整流器，有效地消除了 AC/DC 前端中的輸入橋式整流器(圖 1)。在中高功率下，電路以“連續(xù)導(dǎo)通模式”運行，以保持峰值電流可控，從而實現(xiàn)“硬開關(guān)”。

圖 1：該圖說明了“圖騰柱 PFC”階段。(來源：UnitedSiC)

在一個電源極性上，Q1 充當二極管，Q2 充當高頻升壓開關(guān)，在另一個極性上，功能互換。Q3 和 Q4 充當同步二極管，為交流線路電流提供返回電源的路徑，并且可以是成本較低的分立二極管。很明顯，電源路徑中只有開關(guān)，此處顯示為 SiC FET，因此傳導(dǎo)損耗僅由器件導(dǎo)通電阻設(shè)置。如果將 Si-MOSFET 用于 Q1 和 Q2，則其體二極管的反向恢復(fù)(在死區(qū)時間內(nèi)導(dǎo)通)將限制可實現(xiàn)的效率。然而，在這些位置使用SiC FET，例如最新的750V Gen 4 18mΩUnitedSiC(現(xiàn)為 Qorvo)的部件，在 6.6kW 輸出下可實現(xiàn) 99.3% 的半導(dǎo)體效率，開關(guān)頻率為 75kHz，Q1 和 Q2 各損失 8.3W。這是由于它們市場領(lǐng)先的導(dǎo)通電阻和極低的恢復(fù)損耗。

CLLC DC/DC 轉(zhuǎn)換器

以 96% 的總體效率為目標，TPPFC 階段是一個良好的開端。對于主 DC/DC 隔離級，可以利用流行的“CLLC”類型的諧振轉(zhuǎn)換器的優(yōu)勢(圖 2)。

圖 2：該圖說明了 CLLC 轉(zhuǎn)換器。(來源：UnitedSiC)

CLLC 是一個可變頻率轉(zhuǎn)換器，每個開關(guān)具有 50% 的占空比驅(qū)動并且是對稱的，因此它可以用于雙向轉(zhuǎn)換。該拓撲是諧振的，因此可以實現(xiàn)初級零電壓開關(guān)和次級零電流零電壓開關(guān)。在諧振轉(zhuǎn)換器中，開關(guān)損耗非常低并且體二極管恢復(fù)不是問題，因此可以提高頻率以最小化磁性尺寸。然而，受器件輸出電容的影響，這有一個限制，它決定了最小“死區(qū)”時間和工作范圍。同樣，SiC FET 是一個理想的選擇，它具有市場上高溫和低溫下特定輸出電容和導(dǎo)通電阻的最佳品質(zhì)因數(shù)，以及非常低的體二極管正向壓降，從而產(chǎn)生出色的效率。例如，在 300kHz、6.6kW 下，與示例 PFC 級中使用的相同 UnitedSiC Gen 4 部件可產(chǎn)生 99.8% 的半導(dǎo)體效率。SiC FET 的另一個好處是它們易于進行 0-12V 柵極驅(qū)動。

UnitedSiC 開發(fā)了一系列具有可選封裝和導(dǎo)通電阻的 750V Gen 4 SiC FET 部件，因此設(shè)計人員可以根據(jù)自己的性能目標和預(yù)算進行廣泛的選擇。可以使用公司的在線 FET-Jet Calculator? 探索所有選項，該計算器提供 SiC FET 在廣泛的可選拓撲結(jié)構(gòu)(包括 TPPFC 和 CLLC)中的瞬時性能結(jié)果。顯示功耗、溫升和組件應(yīng)力水平，用戶能夠指定電氣和熱操作條件以及并聯(lián)多個部件的影響。

我們現(xiàn)在有最終的拓撲結(jié)構(gòu)和開關(guān)嗎?現(xiàn)在階段效率與 100% 的差距只有百分之幾，我們已經(jīng)非常接近了。

審核編輯：湯梓紅