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                      圖騰柱PFC在SiC FET的輔助下日漸成熟

                      發布時間:2022-03-07 來源:UnitedSiC 責任編輯:wenwei

                      【導讀】在寬帶隙半導體的輔助下,圖騰柱功率因數校正技術日漸成熟,與損耗很低的SiC FET搭配使用后,發揮了全部潛力。


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                      博客


                      美國西北太平洋沿岸發現的圖騰柱有一系列用途,包括用作裝飾和紀念,有些表示歡迎。我不知道在將TTL邏輯電路內以互補方式驅動的兩個晶體管堆疊命名為“圖騰柱”時,那個工程師在想什么圖片圖片。


                      但是,這個術語現在無疑很受功率界的歡迎,用它構成了“圖騰柱”功率因數校正級。圖騰柱功率因數校正級與圖騰柱這種偉大雕刻的關聯很微弱,但是與TTL輸出級的相似度卻顯而易見,它含兩組堆疊開關,交替驅動,一個支路以交流線路頻率運行,另一個以高頻運行。


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                      【圖1. 圖騰柱PFC電路】


                      這種電路布置的關鍵在于可以通過解析發現它與全橋交流整流器后接功率因數校正升壓電路等價,尤其是由于功率流路線上的元件較少,損耗更低。圖騰柱電路中只需要兩個線路交流整流器二極管,甚至這兩個二極管也可以由同步整流MOSFET替代,實現更低的損耗。從比例上看,在交流/直流轉換器的低壓線路中,橋整流器可以占到接近2%的能效損耗,如果端到端電源的目標能效可以達到96%以滿足80+鈦金標準,則應該為消除2%而努力。


                      工作原理


                      在電路中,對于交流線路的一個極而言,一個開關(如Q1)用于導電,另一個(Q2)用于阻擋電流。這樣,功率會進入該極,流入Q3和Q4,它倆構成一個經典的PFC升壓轉換器,其中Q3作為開關,Q4作為同步整流器運行,以便利用標準主電源生成約400V直流電。在另一個交流線路極,Q2導電,Q1阻擋,而相對的半正弦波極路由到升壓轉換器,但是現在Q4是開關,Q3配置為同步整流器以生成同樣的高壓直流軌。由于以同步開關作為二極管,該電路的導電損耗只能由半導體導通電阻、電感器電阻和連接電阻進行限制。舉例而言,由于開關技術的進步,MOSFET現在的RDS(on)值似乎使其成為了低功率到功率相對較高的電路的一種理想選擇。不過有一個問題,采用硅MOSFET,動態損耗可能很高,以致于電路無法工作。主要問題是在作為同步升壓整流器運行時,由MOSFET體二極管恢復造成的功率損耗。在MOSFET溝道被有效驅動執行關閉和打開之間始終有“死區時間”,從而避免交叉導電,在這期間,整個體二極管通過“換流”導電,同時存儲不想要的電荷。這一效果僅在“連續導電”模式下發生,在此模式下,在每個開關循環中,電感器電流任何時候都不會低至零,但是這種模式是較高功率下的優選模式,可將開關和電感器內的峰值電流和電流有效值控制在特定范圍內,以實現低導電損耗。


                      寬帶隙開關支持實現可行的解決方案


                      因為上述原因,作為一種惱人的拓撲,圖騰柱PFC級從誕生起就黯淡無光,直至半導體技術發展起來,誕生了寬帶隙半導體。碳化硅MOSFET的體二極管反向恢復電荷比硅MOSFET低很多,而氮化鎵HEMT單元則沒有該電荷,因此該拓撲的時代到來了?,F在,我們可以切實討論在交流/直流前端實現99%以上的能效,但是實際實施仍有一些困難,因為SiC MOSFET和GaN都需要非常特定的柵極驅動條件才能實現效率的最后一位小數點和維持可靠性。


                      柵極驅動問題已經通過在設計中采用UnitedSiC制造的SiC FET得到解決,SiC FET是SiC JFET和硅MOSFET的共源共柵結構?,F在,柵極可以在“正?!钡腗OSFET或IGBT電平下驅動,并距離絕對最大+/-值有很大的安全裕度,在驅動器件完全打開時也有穩定的閾值水平,這很大程度上取決于時間和溫度。不過還有別的情況,在相同電壓級和相同晶粒面積下,SiC FET的導通電阻比SiC MOSFET和GaN晶體管低得多,因此每個晶圓制造的晶粒數得以提高,而反過來,在導通電阻相同的條件下,晶粒面積會變小,這使得器件電容較低,開關損耗因而也較低。最終的結果是整體損耗較低,有簡單的柵極驅動,還可以確信,由于GaN器件中缺少高能量雪崩額定值,可靠性不會受損。


                      圖騰柱一詞來自亞爾岡京語“odoodem”,意思是“親屬群體”,對于巧妙的拓撲和接近理想的SiC FET開關的組合而言,的確不失為一個好名字。



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