【導(dǎo)讀】現(xiàn)代尖端電力電子設(shè)備性能升級需要提升系統(tǒng)功率密度、使用更高的主開關(guān)頻率。而現(xiàn)有硅基IGBT配合硅基FRD性能已無法完全滿足要求，需要高性能與性價(jià)比兼具的主開關(guān)器件。為此，基本半導(dǎo)體推出的混合碳化硅分立器件（Hybrid SiC Discrete Devices）將新型場截止IGBT技術(shù)和碳化硅肖特基二極管技術(shù)相結(jié)合，為硬開關(guān)拓?fù)浯蛟炝艘粋€(gè)兼顧品質(zhì)和性價(jià)比的完美方案。
該器件將傳統(tǒng)的硅基IGBT和碳化硅肖特基二極管合封，在部分應(yīng)用中可以替代傳統(tǒng)的IGBT （硅基IGBT與硅基快恢復(fù)二極管合封），使得IGBT的開關(guān)損耗大幅降低。這款混合碳化硅分立器件的性能介于超結(jié)MOSFET和高性能的碳化硅 MOSFET之間，在某些場合性價(jià)比更優(yōu)于超結(jié)MOSFET和碳化硅MOSFET，可幫助客戶在性能和成本之間取得更好的平衡，具有重要的應(yīng)用價(jià)值，特別適用于對功率密度提升有需求，同時(shí)更強(qiáng)調(diào)性價(jià)比的電源應(yīng)用領(lǐng)域，如車載電源充電機(jī)（OBC）、通信電源、高頻DC-DC電源轉(zhuǎn)換器、UPS等。
01 PFC技術(shù)趨勢
在電源研發(fā)領(lǐng)域，尤其是在汽車OBC和通信電源應(yīng)用領(lǐng)域，由于PFC拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)可直接影響到電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)效率的高低，使得這一關(guān)鍵因素在近年來變得愈發(fā)重要。為進(jìn)一步提高電源的工作效率，科研人員和工程師們已經(jīng)研究出多種不同的PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如傳統(tǒng)的PFC拓?fù)洹⑵胀o橋PFC、雙升壓無橋PFC，圖騰柱無橋PFC等，并已成功大范圍應(yīng)用在設(shè)計(jì)過程中。
表1 對比四種常見的PFC拓?fù)潆娐?/p>
對比上述四種常見的PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖騰柱無橋PFC拓?fù)涞钠骷昧績H為6，同時(shí)還具有導(dǎo)通損耗最低、效率最高等優(yōu)點(diǎn)，因此在車載OBC及通信電源等高效應(yīng)用方面已有量產(chǎn)項(xiàng)目采用圖騰柱無橋PFC取代傳統(tǒng)的PFC或交錯(cuò)并聯(lián)PFC。
因此本文除闡述圖騰柱無橋PFC的優(yōu)勢和工作原理之外，將重點(diǎn)介紹圖騰柱無橋PFC的功率半導(dǎo)體器件選型，并給出性能和成本平衡的混合碳化硅分立器件解決方案。
02 圖騰柱無橋PFC拓?fù)浞治?/p>
圖5 正半周期，T2開通，電感儲(chǔ)能 圖6 正半周期，T2關(guān)斷，電感釋能
● 在正半周期（VAC>0）的時(shí)候，T2為主開關(guān)管。
● 當(dāng)T2開通時(shí)，電感L儲(chǔ)能，電流回路如圖5所示；
● 當(dāng)T2關(guān)斷時(shí)，T1的反并聯(lián)二極管D1開通，電感L釋放能量，電流回路如圖6所示；
圖7 負(fù)半周期，T1開通，電感儲(chǔ)能 圖8 負(fù)半周期，T1關(guān)斷，電感釋能
● 在負(fù)半周期（VAC＜0）的時(shí)候，T1為主開關(guān)管。
● 當(dāng)T1開通時(shí)，電感L儲(chǔ)能，電流回路如圖7所示；
● 當(dāng)T1關(guān)斷時(shí)，T2的反并聯(lián)二極管D2開通，電感L釋放能量，電流回路如圖8所示；
03 圖騰柱無橋PFC功率器件選型
基于上述第2點(diǎn)的圖騰柱無橋PFC拓?fù)浼捌湓矸治觯蠄D中D3和D4各自工作在交流輸入的工頻正半周期和負(fù)半周期，導(dǎo)通時(shí)間較長，因此建議選擇低速和低導(dǎo)通壓降的硅整流二極管。為進(jìn)一步提高效率，可以考慮用硅 MOSFET替代（同步整流模式），從而降低整流回路的導(dǎo)通損耗。
如果圖騰柱無橋PFC工作處于電流斷續(xù)模式（DCM）或臨界導(dǎo)通模式（CrM）時(shí)，T1和T2可以選擇純硅 IGBT （IGBT+FRD）或者超結(jié)MOSFET作為主開關(guān)管。但是如果圖騰柱無橋PFC工作處于電流連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）時(shí)，T1和T2如果仍選擇純硅 IGBT （IGBT+FRD）或者超結(jié)MOSFET作為主開關(guān)管的話，由于IGBT上反并聯(lián)的二極管及超結(jié)MOSFET自身的體二極管都是雙極型二極管，在關(guān)斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生反向恢復(fù)電流Irr，會(huì)明顯增大對管開關(guān)管的開通損耗，降低整個(gè)系統(tǒng)的效率。
可見，在圖騰柱無橋PFC中，現(xiàn)有硅基IGBT配合硅基FRD或超結(jié)MOSFET作為主開關(guān)管的傳統(tǒng)IGBT解決方案已很難再進(jìn)一步提升電源效率。針對上述情況，解決方案有以下兩種。
方案一：將IGBT單管上反并聯(lián)的快速恢復(fù)二極管換成基本半導(dǎo)體的“零反向恢復(fù)”的碳化硅肖特基二極管（碳化硅 SBD），這種組合起來封裝的器件，稱之為混合碳化硅分立器件（Hybrid SiC Discrete Devices）。基本半導(dǎo)體的碳化硅肖特基二極管采用的主要是碳化硅 JBS工藝技術(shù)，與硅 FRD對比的主要優(yōu)點(diǎn)有：
圖9 二極管反向恢復(fù)電流Irr和開關(guān)管T2開關(guān)波形
（1）碳化硅肖特基二極管具有“零反向恢復(fù)” 的特點(diǎn)，可以顯著減少開關(guān)管的開通損耗;
（2）“零反向恢復(fù)”意味著反向恢復(fù)電流跟雜散電感產(chǎn)生的諧振幾乎為零，可顯著改善系統(tǒng)EMI;
（3）碳化硅肖特基二極管 的QC更小，PFC開關(guān)頻率提升時(shí)，使用碳化硅肖特基二極管可以顯著提升整機(jī)效率。
方案二：主開關(guān)管選擇的碳化硅MOSFET器件，碳化硅MOSFET相對于IGBT或超結(jié)MOSFET有更低的開關(guān)損耗。碳化硅MOSFET的體二極管雖然也存在反向恢復(fù)行為，但是其反向恢復(fù)電流相對IGBT或超結(jié)MOSFET要小很多。因此，當(dāng)開關(guān)頻率提高時(shí)，碳化硅MOSFET的優(yōu)勢將更為明顯，系統(tǒng)的效率也會(huì)更高。當(dāng)客戶選擇碳化硅MOSFET為主開關(guān)管后，通常也會(huì)愿意多花額外的成本將工頻整流二極管D3和D4換成普通的低導(dǎo)通電阻（Rdson）的硅-MOSFET [B1] ，降低整流器件的導(dǎo)通損耗。
圖10 圖騰柱無橋PFC 碳化硅 MOSFET (T1和T2) + 硅 MOSFET (T3和T4) 方案
方案二的效率是最高的，相對地，客戶端付出的成本也是最高的。
綜合上述各個(gè)方案的特點(diǎn)和分析，為滿足不同的市場需求，基本半導(dǎo)體為圖騰柱無橋PFC這一硬開關(guān)拓?fù)湓O(shè)計(jì)了能同時(shí)兼顧效率與性價(jià)比的混合碳化硅分立器件，同時(shí)也提供了更高效率的全碳化硅 MOSFET方案。
04 對比測試
這里采用雙脈沖測試方法對圖騰柱無橋PFC中混合碳化硅分立器件和純硅 IGBT進(jìn)行對比測試，以評估續(xù)流二極管（硅快恢復(fù)二極管或碳化硅肖特基二極管）對主開關(guān)管損耗的影響，并同時(shí)檢測續(xù)流二極管的恢復(fù)行為。
圖11 測試原理圖
測試對象：
BG50N065HF（BASiC, IGBT+FRD），BGH50N065HF（BASiC, IGBT+碳化硅肖特基二極管）
測試條件：
圖12 傳統(tǒng)IGBT及混合碳化硅分立器件開關(guān)損耗參數(shù)對比
如圖12所示，碳化硅肖特基二極管對IGBT的損耗和二極管反向恢復(fù)損耗的影響非常大。使用碳化硅肖特基二極管后，可以顯著降低IGBT的開通損耗和總損耗，基本半導(dǎo)體碳化硅混合分立器件的開通損耗相對于Si IGBT降低55%，總損耗降低33%。
另外，混合碳化硅分立器件的反并聯(lián)二極管由于其碳化硅肖特基二極管特性，基本上不存在反向恢復(fù)電流和反向恢復(fù)損耗。相對傳統(tǒng)IGBT方案，在高頻和效率提升上，混合碳化硅分立器件的技術(shù)優(yōu)勢更加明顯。
圖13 傳統(tǒng)IGBT及混合碳化硅分立器件反并聯(lián)二極管的特性參數(shù)對比
如圖13所示，混合碳化硅分立器件的反向恢復(fù)時(shí)間Trr，反向恢復(fù)電流Irr和反向恢復(fù)損耗Err明顯降低。
05 總結(jié)
基本半導(dǎo)體主要推出了650V 50A和650V 75A的混合碳化硅分立器件，并同時(shí)推出了TO-247-3和TO-247-4封裝（如上圖），使得客戶在不需要更改電源電路和PCB的基礎(chǔ)上，直接進(jìn)行Pin To Pin替換驗(yàn)證測試及使用，在同樣的設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，客戶可以在最短時(shí)間內(nèi)提升整機(jī)效率，降低散熱器設(shè)計(jì)要求和成本。客戶也可以提高主開關(guān)管的開關(guān)頻率，選擇體積更小的電感進(jìn)行設(shè)計(jì)，以此減少電流諧波對電網(wǎng)的污染。
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