干货 | 基于SiC的工业电源用图腾柱PFC

能量转换效率是工业电源的关键指标，因为任何未传递到负载但转换为废热的能量都会影响系统运行的直接成本。另外，低效能量转换产生的任何废热都会对散热系统产生额外需求。

作者：Christian Felgemacher和Aly Mashaly，罗姆半导体

一些特定领域，比如数据中心，对能源具有较高需求，尤其需要高效率的电源。计算基础设施对功率的需求越来越大，为了降低设施成本和生态足迹，高效的能量转换系统势在必行。本文讨论的基于SiC的图腾柱PFC就可以应对这一挑战。

前言

电网采用交流输电方式将发电机的能量输送给负载。但是，许多现代电子负载（比如计算机处理器）都需要直流电（DC）。因此，大多数现代电子负载输入处的电源单元（PSU）需要将AC转换为DC。另外，这种PSU还得将电压转换为所在系统所需的电平，以驱动最终负载。在许多情况下，DC-DC转换部分还扮演着电流隔离的角色，对系统起保护作用。如果系统所需的功率较低（通常不超过3.6kW）的话，一般输入系统为单相AC输入，电压在85V至265V之间，频率为50 Hz或60Hz（取决于国家和地区）。单相电源单元的一般结构如图1所示。

图1  单相电源单元的一般高层结构

为了获得最高效率等级认证——80 Plus钛金认证，冗余电源需要在输入电压为230V、负载为标称负载的50%时至少达到96%的效率。此外，还必须满足负载为10%、20%和100%时的效率目标以及输入电压为115V时的效率目标。如果PSU的DC-DC部分的效率为98%（软开关转换器可以实现此效率），那么负载为50%时，AC-DC部分的效率必须至少要达到98%，才能满足80 Plus钛金认证总体效率为96%的目标。 

具有功率因数校正功能的AC-DC转换拓扑

本文主要讲述具有功率因数校正功能的AC-DC电路。这部分电路存在多种电路拓扑，一些常见结构请参见图2。单相PFC部分的经典拓扑结构是Boost PFC，该结构也可能是实现该功能的最简单的拓扑结构。该拓扑由低频二极管整流器与标准升压转换器（通常由一个SJ MOSFET和一个SiC SBD组成）构成。系统控制SJ MOSFET的栅极驱动，从而从交流电源汲取正弦电流。对于更大功率（比如3.6kW），升压转换器一般通过由两个电感、两个SiC SBD和两个SJ MOSFET组成的交错式结构实现。此结构可以实现高效率以及适当的输出功率。但是，这种拓扑存在一个局限性，那就是低频整流桥的传导损耗。这限制了经典升压PFC可以实现的最大效率。

图2  单相PFC的常见拓扑结构

其他拓扑，比如两相无桥PFC和图腾柱PFC，就无需低频输入整流器，因此可以获得更高的效率。尽管两相无桥PFC拓扑可以实现良好的性能，但是，其主要缺点是任一桥臂只在一半电网周期内运行，而在另外一半周期内处于空闲状态。这导致循环负载较高，且部件的利用率差。

随着诸如SiC MOSFET之类的宽禁带器件的出现，图2所示的两种图腾柱PFC变体结构越来越受欢迎。尽管人们在文献中已经对该拓扑进行了广泛讨论，但是其实际应用仅限于低功耗情况，这是因为该结构采用的SJ MOSFET的体二极管性能使得系统无法工作在连续电流模式（CCM）下。为了避免SJ MOSFET中高损耗体二极管的硬换向，电路需要工作在不连续电流模式（DCM）下，这会导致较大的纹波电流。 

如今，现代宽禁带功率半导体器件（比如SiC MOSFET和GaN HEMT）能够让图腾柱PFC在CCM模式下工作，而且纹波电流很小。这是可能的，因为SiC MOSFET的体二极管适用于硬换向，且反向恢复损耗低。

图腾柱PFC的详细工作原理

为了工作在连续电流模式（CCM）下，图腾柱PFC需要两个具有高性能体二极管的高频功率半导体开关，即图3中的Q1和Q2。Q1和Q2可以采用SiC MOSFET，非常有效。对于以电网频率工作的两个开关（图3中的Q3和Q4），不需要高性能体二极管，因此可以使用Si SJ MOSFET。对于某些性能要求稍低、需要节约成本的设计，可以采用二极管替代Q3和Q4。

图3  图腾柱PFC中的电流路径  

红色：充电电感的电流路径，绿色：续流路径

在这种拓扑中，Si SJ MOSFET的开关频率为电网频率。如图3 a)所示，在正半波中，Q4常开。初级升压开关Q2导通后，输入电感器Lin中的电流增大。在此阶段，负载电流由直流连接电容提供。Q2关断后，电流通过Q1的体二极管续流。短暂的死区时间后，Q1的栅极导通，SiC MOSFET的沟道接管电流（同步整流）。正向半波期间Q1和Q2的理想电流以及栅极信号如图4所示。

图4   Q1和Q2的理想电流和栅极信号

在输入电压的负半波中，开关Q1和Q2作为主开关和同步整流器功能互换。此外，在该半波周期中，电流流过Q3，而Q4保持关断状态。负半波周期的电流路径如图3 b)所示。

通过分析可以看出，SiC MOSFET的体二极管是在进行硬换向。但是，这对于SiC MOSFET来说不是问题，因为其体二极管的反向恢复损耗非常低。

3.6kW图腾柱PFC的验证模型

为了说明基于SiC MOSFET的图腾柱PFC的性能，我们设计了一个验证模型，其技术规格如下所示：

验证模型的照片如图5所示。尺寸和紧凑性不是本次设计的主要目标，因为我们的主要目的是能够轻松访问转换器的各个关键部件，以便进行测试。在测试系统中，高频开关（图3中的Q1/Q2）采用650V 60mΩ 沟槽结构SiC MOSFET（SCT3060AR），其封装为TO-247-4L；运行在电网频率上的支路则采用600V 60mΩ Si SJ MOSFET(R6047ENZ4)。对于所选开关频率和最大输出功率，60mΩ SiC MOSFET可以在开关损耗和导通损耗之间实现良好的平衡。如果想进一步提高效率，我们可以用具有更低R_DS(on)的MOSFET来替代工作在电网频率下的SJ MOSFET，因为这些组件的开关损耗无关紧要。

对于SiC MOSFET的栅极驱动，高压侧和低压侧都采用隔离栅极驱动器

BM61S41RFV，以充分利用TO-247-4L的驱动检测引脚。为了驱动Si SJ MOSFET，我们采用了一个双通道栅极驱动IC（BM60212FV-C），实现高压侧自举升压电源。

图5  3.6 kW图腾柱PFC的验证模型

基于SiC的图腾柱PFC的实验结果

使用上述验证模型，我们可以在输出功率为3.6kW的条件下进行测试。在整个输出功率范围内，低压输入（V_in = 110V）和高压输入（V_in = 230V）的实测效率如图6所示。高压输入时，系统的峰值效率为98.5％；在500W和满载之间，整体效率保持在98％以上。

图6   图腾柱PFC验证模型的实测效率(V_out = 400 V, f_SW = 100 kHz, SCT3060AR, R6047ENZ4)

在测试过程中，我们用红外热成像仪测量功率器件的外壳温度。从图7的测量结果可以看出，器件在最大输出功率时外壳温度约为100°C（环境温度为25°C）。即便环境温度升高，损耗减少措施和冷却系统的改善也有助于确保器件的热稳定性。

图7  半导体器件外壳的温度测量值(V_in=230V, V_out=400V, f_SW=100 kHz)

测量结果显示，使用SiC MOSFET和Si SJ MOSFET的图腾柱PFC可以成为电源单元3.6kW AC-DC部分的高性能解决方案。即使在100 kHz开关频率下，效率也足够高，如果所用DC-DC部分的效率大于98%，那么就可以获得80 Plus钛金认证。

总结

对于很多电源来说，高效率是至关重要的参数。特别是对于计算机系统的电源，需要满足许多明确的要求才能获得某些能效认证。传统AC-DC转换拓扑的短板在于输入处的二极管桥式整流器。这些二极管中的传导损耗会限制电源的总体效率。本文描述的图腾柱PFC则可以克服这一问题，是一种非常有前景的拓扑结构。实验结果表明，使用罗姆半导体公司在售的SiC MOSFET和Si SJ MOSFET，电源系统可以获得高于98%的效率。