【導(dǎo)讀】在寬帶隙半導(dǎo)體的輔助下，圖騰柱功率因數(shù)校正技術(shù)日漸成熟，與損耗很低的SiC FET搭配使用后，發(fā)揮了全部潛力。
博客
美國(guó)西北太平洋沿岸發(fā)現(xiàn)的圖騰柱有一系列用途，包括用作裝飾和紀(jì)念，有些表示歡迎。我不知道在將TTL邏輯電路內(nèi)以互補(bǔ)方式驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)晶體管堆疊命名為“圖騰柱”時(shí)，那個(gè)工程師在想什么圖片圖片。
但是，這個(gè)術(shù)語(yǔ)現(xiàn)在無(wú)疑很受功率界的歡迎，用它構(gòu)成了“圖騰柱”功率因數(shù)校正級(jí)。圖騰柱功率因數(shù)校正級(jí)與圖騰柱這種偉大雕刻的關(guān)聯(lián)很微弱，但是與TTL輸出級(jí)的相似度卻顯而易見(jiàn)，它含兩組堆疊開(kāi)關(guān)，交替驅(qū)動(dòng)，一個(gè)支路以交流線路頻率運(yùn)行，另一個(gè)以高頻運(yùn)行。
【圖1. 圖騰柱PFC電路】
這種電路布置的關(guān)鍵在于可以通過(guò)解析發(fā)現(xiàn)它與全橋交流整流器后接功率因數(shù)校正升壓電路等價(jià)，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(gè)線路交流整流器二極管，甚至這兩個(gè)二極管也可以由同步整流MOSFET替代，實(shí)現(xiàn)更低的損耗。從比例上看，在交流/直流轉(zhuǎn)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(biāo)能效可以達(dá)到96%以滿(mǎn)足80+鈦金標(biāo)準(zhǔn)，則應(yīng)該為消除2%而努力。
工作原理
在電路中，對(duì)于交流線路的一個(gè)極而言，一個(gè)開(kāi)關(guān)（如Q1）用于導(dǎo)電，另一個(gè)（Q2）用于阻擋電流。這樣，功率會(huì)進(jìn)入該極，流入Q3和Q4，它倆構(gòu)成一個(gè)經(jīng)典的PFC升壓轉(zhuǎn)換器，其中Q3作為開(kāi)關(guān)，Q4作為同步整流器運(yùn)行，以便利用標(biāo)準(zhǔn)主電源生成約400V直流電。在另一個(gè)交流線路極，Q2導(dǎo)電，Q1阻擋，而相對(duì)的半正弦波極路由到升壓轉(zhuǎn)換器，但是現(xiàn)在Q4是開(kāi)關(guān)，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(kāi)關(guān)作為二極管，該電路的導(dǎo)電損耗只能由半導(dǎo)體導(dǎo)通電阻、電感器電阻和連接電阻進(jìn)行限制。舉例而言，由于開(kāi)關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，MOSFET現(xiàn)在的RDS(on)值似乎使其成為了低功率到功率相對(duì)較高的電路的一種理想選擇。不過(guò)有一個(gè)問(wèn)題，采用硅MOSFET，動(dòng)態(tài)損耗可能很高，以致于電路無(wú)法工作。主要問(wèn)題是在作為同步升壓整流器運(yùn)行時(shí)，由MOSFET體二極管恢復(fù)造成的功率損耗。在MOSFET溝道被有效驅(qū)動(dòng)執(zhí)行關(guān)閉和打開(kāi)之間始終有“死區(qū)時(shí)間”，從而避免交叉導(dǎo)電，在這期間，整個(gè)體二極管通過(guò)“換流”導(dǎo)電，同時(shí)存儲(chǔ)不想要的電荷。這一效果僅在“連續(xù)導(dǎo)電”模式下發(fā)生，在此模式下，在每個(gè)開(kāi)關(guān)循環(huán)中，電感器電流任何時(shí)候都不會(huì)低至零，但是這種模式是較高功率下的優(yōu)選模式，可將開(kāi)關(guān)和電感器內(nèi)的峰值電流和電流有效值控制在特定范圍內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)電損耗。
寬帶隙開(kāi)關(guān)支持實(shí)現(xiàn)可行的解決方案
因?yàn)樯鲜鲈?，作為一種惱人的拓?fù)?，圖騰柱PFC級(jí)從誕生起就黯淡無(wú)光，直至半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展起來(lái)，誕生了寬帶隙半導(dǎo)體。碳化硅MOSFET的體二極管反向恢復(fù)電荷比硅MOSFET低很多，而氮化鎵HEMT單元?jiǎng)t沒(méi)有該電荷，因此該拓?fù)涞臅r(shí)代到來(lái)了。現(xiàn)在，我們可以切實(shí)討論在交流/直流前端實(shí)現(xiàn)99%以上的能效，但是實(shí)際實(shí)施仍有一些困難，因?yàn)镾iC MOSFET和GaN都需要非常特定的柵極驅(qū)動(dòng)條件才能實(shí)現(xiàn)效率的最后一位小數(shù)點(diǎn)和維持可靠性。
柵極驅(qū)動(dòng)問(wèn)題已經(jīng)通過(guò)在設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)。現(xiàn)在，柵極可以在“正?！钡腗OSFET或IGBT電平下驅(qū)動(dòng)，并距離絕對(duì)最大+/-值有很大的安全裕度，在驅(qū)動(dòng)器件完全打開(kāi)時(shí)也有穩(wěn)定的閾值水平，這很大程度上取決于時(shí)間和溫度。不過(guò)還有別的情況，在相同電壓級(jí)和相同晶粒面積下，SiC FET的導(dǎo)通電阻比SiC MOSFET和GaN晶體管低得多，因此每個(gè)晶圓制造的晶粒數(shù)得以提高，而反過(guò)來(lái)，在導(dǎo)通電阻相同的條件下，晶粒面積會(huì)變小，這使得器件電容較低，開(kāi)關(guān)損耗因而也較低。最終的結(jié)果是整體損耗較低，有簡(jiǎn)單的柵極驅(qū)動(dòng)，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(huì)受損。
圖騰柱一詞來(lái)自亞爾岡京語(yǔ)“odoodem”，意思是“親屬群體”，對(duì)于巧妙的拓?fù)浜徒咏硐氲腟iC FET開(kāi)關(guān)的組合而言，的確不失為一個(gè)好名字。
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