在TPPFC電路中，當連接到L1的交流電主線(xiàn)路為正壓時(shí)，Q1是升壓開(kāi)關(guān)，Q2是同步整流器，Q3導電以允許線(xiàn)路電流循環(huán)而Q4阻斷電路。當交流輸入電壓為負壓時(shí)，Q1和Q2角色互換，Q3阻斷電路而Q4導電。無(wú)論何時(shí)，在TPPFC級中，導電的器件要比橋輸入PFC少一個(gè)，而整體壓降仍較低，因為所有二極管都被同步整流器取代了。Q1和Q2像在普通升壓轉換器中一樣在高頻下開(kāi)關(guān)，而Q3和Q4以線(xiàn)路頻率交替導電，因此只有它們的導電損耗會(huì )產(chǎn)生重要影響。

 

必須選擇PFC級導電模式

 

設計師們可以選擇運行模式與任何升壓轉換器，這與L1中存儲的能量是否在每個(gè)周期內完全轉移到輸出中有關(guān)。這相當于每個(gè)周期的電感電流都跌到零（斷續導電模式，DCM）或持續為正（連續導電模式，CCM）。還可以安排電路在二者的臨界線(xiàn)上運行（臨界導電模式，CrM），這需要開(kāi)關(guān)頻率可隨著(zhù)負載和線(xiàn)路變化而變化。這些模式有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，DCM電路有軟打開(kāi)開(kāi)關(guān)，可實(shí)現低損耗，但是在關(guān)閉時(shí)dV/dt相關(guān)的EMI很高，而且峰值電流電平過(guò)高，從而使得該模式不適合大功率應用。CrM有變頻運行的缺點(diǎn)，而且雖然CrM中的峰值電流較小，但是除非各級交錯否則它們產(chǎn)生的導電損耗仍不可接受，而各級交錯會(huì )產(chǎn)生相關(guān)成本和復雜性。CCM峰值電流最低，導電損耗也最低，但是電路采用“硬開(kāi)關(guān)”方式來(lái)打開(kāi)和關(guān)閉，同時(shí)經(jīng)過(guò)的電流大，這導致如果使用基于硅的功率開(kāi)關(guān)可能會(huì )造成大損耗。在這些損耗中占據主要部分的是高頻升壓同步整流器體二極管的反向恢復電荷QRR和升壓開(kāi)關(guān)的輸出電容COSS，該電容在每個(gè)周期中都會(huì )充電和放電。這些影響十分嚴重，以致直到不久前，在采用市面上的半導體器件的情況下，這些拓撲并不具備可行性。 

 

寬帶隙半導體就是解決方案

 

碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）被視為未來(lái)的功率半導體，有許多人撰文稱(chēng)贊它們的低導通損耗和低開(kāi)關(guān)損耗這兩種值得大力宣傳的優(yōu)點(diǎn)。自然而然地，可以考慮將它們用于TPPFC電路，而且它們確實(shí)讓電路變得可行。SiC MOSFET的性能比硅MOSFET好，體二極管反向恢復電荷QRR低80%或更多，輸出電容COSS也較低。然而，同步整流器導電前，在“死區時(shí)間”，體二極管的正向壓降非常高。采用SiC MOSFET時(shí)的柵極驅動(dòng)偶爾也會(huì )有閾值遲滯現象和可變性方面的問(wèn)題，而且全面增強的柵極電壓與最大絕對值之間的裕度小。

 

GaN器件沒(méi)有體二極管和反向恢復問(wèn)題，但是為了實(shí)現最佳效率和低閾值電壓，柵極驅動(dòng)很復雜，并伴隨虛假打開(kāi)風(fēng)險。GaN HEMT單元仍然相對昂貴，且適合較低的功率范圍，沒(méi)有雪崩能力。

 

SiC FET仍是較好選擇

 

SiC FET是保留了SiC MOSFET最佳方面而無(wú)其缺點(diǎn)的器件，它是高壓SiC JFET和低壓Si-MOSFET的共源共柵組合。該器件速度快，導通電阻很低，但是柵極驅動(dòng)簡(jiǎn)單，兼容Si-MOSFET甚至IGBT電平。它的閾值電壓很高，無(wú)遲滯現象，距離最大絕對額定值有很好的裕度。該器件具有由低壓Si-MOSFET定義的體二極管效應，QRR極低，正向壓降僅為1.75V左右，同時(shí)輸出電容COSS也低。它具有可防止過(guò)壓的雪崩效應。

 

SiC FET由UnitedSiC率先制造，現已推出第四代產(chǎn)品。第四代產(chǎn)品改進(jìn)了單元密度以降低單位面積的導通電阻（RDS.A），運用銀燒結粘接和晶圓減薄技術(shù)改進(jìn)了熱設計，從而盡量減小了到基片的熱阻。

只有在考慮了權衡取舍的特征后，對比SiC FET和相同器件電壓級的其他技術(shù)才有意義。因此，查看給定性能下每個(gè)晶圓的晶粒的RDS.A和RDS.EOSS（衡量如何權衡硬開(kāi)關(guān)損耗和導電損耗的指標）等性能表征會(huì )很用。圖2顯示的是第四代750V UnitedSiC SiC FET器件與類(lèi)似的650V SiC MOSFET器件在25°C和125°C下的對比。SiC FET的優(yōu)勢很明顯，而額定值還高100V，這很實(shí)用。

 

圖2：SiC FET與SiC MOSFET對比

 

實(shí)際結果證實(shí)了SiC FET的優(yōu)勢

 

UnitedSiC使用額定值為750V，18毫歐，采用TO-247-4L開(kāi)爾文連接封裝的第四代UJ4C075018K4S器件構建了圖騰柱PFC級演示板。PFC級的額定值為3.6kW 85-264V交流輸入電壓和390V直流輸出電壓。兩個(gè)SiC FET用于60kHz高頻開(kāi)關(guān)支路，四個(gè)28毫歐硅超結MOSFET用于“慢”支路。圖3顯示的是效率曲線(xiàn)，在230V交流電壓和2.5kW輸出下，效率達到99.37%的高峰。為提供更多信息，圖中還顯示了成本較低的60毫歐SiC FET器件的曲線(xiàn)（在每個(gè)位置并聯(lián)兩個(gè)該器件）。

 

圖3：使用SiC FET的3.6kW圖騰柱PFC級的效率

 

在對成本非常敏感的應用中，圖1中的Q3和Q4可以替換成標準硅二極管，這樣，在描述的演示板中，效率仍能超過(guò)99%。如果采用橋式整流器，則最好多使用兩個(gè)二極管來(lái)實(shí)現突波保護，防止升壓電感在啟動(dòng)時(shí)瞬間飽和。

 

使用FET-Jet計算器可輕松選擇SiC FET

 

為了方便選出適合的 SiC FET，UnitedSiC提供了一種基于Web的設計工具，FET-Jet計算器。這款交互工具包含用于各種拓撲的隔離和非隔離直流轉換器以及交直流轉換器的預先編程的應用電路，包括簡(jiǎn)單的升壓PFC和圖騰柱PFC等。它也支持CCM和CrM模式。使用者可以從下拉列表中為每個(gè)應用選擇SiC FET，然后該工具會(huì )瞬間計算出整體效率、損耗（并按開(kāi)關(guān)損耗和導電損耗進(jìn)行分析）、結溫和當前應力水平?？梢赃x擇要并聯(lián)的器件，以實(shí)現較高功率。如出現無(wú)效輸入，計算器會(huì )發(fā)出警告。該工具免費使用，且無(wú)需注冊。

 

圖騰柱PFC級是一種有吸引力的方法，有望實(shí)現更高的效率和更簡(jiǎn)單的設計，但是直到不久前，半導體技術(shù)也未能讓它發(fā)揮出全部潛力。在SiC FET的幫助下，該電路現在走入了工程師們的視野，用于在交流輸入轉換器中將功耗降低至更低水平。