【導讀】現代尖端電力電子設備性能升級需要提升系統功率密度、使用更高的主開關頻率。而現有硅基IGBT配合硅基FRD性能已無法完全滿足要求，需要高性能與性價比兼具的主開關器件。為此，基本半導體推出的混合碳化硅分立器件（Hybrid SiC Discrete Devices）將新型場截止IGBT技術和碳化硅肖特基二極管技術相結合，為硬開關拓撲打造了一個兼顧品質和性價比的完美方案。
該器件將傳統的硅基IGBT和碳化硅肖特基二極管合封，在部分應用中可以替代傳統的IGBT （硅基IGBT與硅基快恢復二極管合封），使得IGBT的開關損耗大幅降低。這款混合碳化硅分立器件的性能介于超結MOSFET和高性能的碳化硅 MOSFET之間，在某些場合性價比更優于超結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，具有重要的應用價值，特別適用于對功率密度提升有需求，同時更強調性價比的電源應用領域，如車載電源充電機（OBC）、通信電源、高頻DC-DC電源轉換器、UPS等。
01 PFC技術趨勢
在電源研發領域，尤其是在汽車OBC和通信電源應用領域，由于PFC拓撲的設計可直接影響到電力轉換系統效率的高低，使得這一關鍵因素在近年來變得愈發重要。為進一步提高電源的工作效率，科研人員和工程師們已經研究出多種不同的PFC拓撲結構，如傳統的PFC拓撲、普通無橋PFC、雙升壓無橋PFC，圖騰柱無橋PFC等，并已成功大范圍應用在設計過程中。
表1 對比四種常見的PFC拓撲電路
對比上述四種常見的PFC拓撲結構，圖騰柱無橋PFC拓撲的器件用量僅為6，同時還具有導通損耗最低、效率最高等優點，因此在車載OBC及通信電源等高效應用方面已有量產項目采用圖騰柱無橋PFC取代傳統的PFC或交錯并聯PFC。
因此本文除闡述圖騰柱無橋PFC的優勢和工作原理之外，將重點介紹圖騰柱無橋PFC的功率半導體器件選型，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拓撲分析
圖5 正半周期，T2開通，電感儲能 圖6 正半周期，T2關斷，電感釋能
● 在正半周期（VAC>0）的時候，T2為主開關管。
● 當T2開通時，電感L儲能，電流回路如圖5所示；
● 當T2關斷時，T1的反并聯二極管D1開通，電感L釋放能量，電流回路如圖6所示；
圖7 負半周期，T1開通，電感儲能 圖8 負半周期，T1關斷，電感釋能
● 在負半周期（VAC＜0）的時候，T1為主開關管。
● 當T1開通時，電感L儲能，電流回路如圖7所示；
● 當T1關斷時，T2的反并聯二極管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點的圖騰柱無橋PFC拓撲及其原理分析，上圖中D3和D4各自工作在交流輸入的工頻正半周期和負半周期，導通時間較長，因此建議選擇低速和低導通壓降的硅整流二極管。為進一步提高效率，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通損耗。
如果圖騰柱無橋PFC工作處于電流斷續模式（DCM）或臨界導通模式（CrM）時，T1和T2可以選擇純硅 IGBT （IGBT+FRD）或者超結MOSFET作為主開關管。但是如果圖騰柱無橋PFC工作處于電流連續導通模式（CCM）時，T1和T2如果仍選擇純硅 IGBT （IGBT+FRD）或者超結MOSFET作為主開關管的話，由于IGBT上反并聯的二極管及超結MOSFET自身的體二極管都是雙極型二極管，在關斷時會產生反向恢復電流Irr，會明顯增大對管開關管的開通損耗，降低整個系統的效率。
可見，在圖騰柱無橋PFC中，現有硅基IGBT配合硅基FRD或超結MOSFET作為主開關管的傳統IGBT解決方案已很難再進一步提升電源效率。針對上述情況，解決方案有以下兩種。
方案一：將IGBT單管上反并聯的快速恢復二極管換成基本半導體的“零反向恢復”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，與硅 FRD對比的主要優點有：
圖9 二極管反向恢復電流Irr和開關管T2開關波形
（1）碳化硅肖特基二極管具有“零反向恢復” 的特點，可以顯著減少開關管的開通損耗;
（2）“零反向恢復”意味著反向恢復電流跟雜散電感產生的諧振幾乎為零，可顯著改善系統EMI;
（3）碳化硅肖特基二極管 的QC更小，PFC開關頻率提升時，使用碳化硅肖特基二極管可以顯著提升整機效率。
方案二：主開關管選擇的碳化硅MOSFET器件，碳化硅MOSFET相對于IGBT或超結MOSFET有更低的開關損耗。碳化硅MOSFET的體二極管雖然也存在反向恢復行為，但是其反向恢復電流相對IGBT或超結MOSFET要小很多。因此，當開關頻率提高時，碳化硅MOSFET的優勢將更為明顯，系統的效率也會更高。當客戶選擇碳化硅MOSFET為主開關管后，通常也會愿意多花額外的成本將工頻整流二極管D3和D4換成普通的低導通電阻（Rdson）的硅-MOSFET [B1] ，降低整流器件的導通損耗。
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。
綜合上述各個方案的特點和分析，為滿足不同的市場需求，基本半導體為圖騰柱無橋PFC這一硬開關拓撲設計了能同時兼顧效率與性價比的混合碳化硅分立器件，同時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進行對比測試，以評估續流二極管（硅快恢復二極管或碳化硅肖特基二極管）對主開關管損耗的影響，并同時檢測續流二極管的恢復行為。
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IGBT及混合碳化硅分立器件開關損耗參數對比
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電流和反向恢復損耗。相對傳統IGBT方案，在高頻和效率提升上，混合碳化硅分立器件的技術優勢更加明顯。
圖13 傳統IGBT及混合碳化硅分立器件反并聯二極管的特性參數對比
如圖13所示，混合碳化硅分立器件的反向恢復時間Trr，反向恢復電流Irr和反向恢復損耗Err明顯降低。
05 總結
基本半導體主要推出了650V 50A和650V 75A的混合碳化硅分立器件，并同時推出了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的基礎上，直接進行Pin To Pin替換驗證測試及使用，在同樣的設計系統中，客戶可以在最短時間內提升整機效率，降低散熱器設計要求和成本。客戶也可以提高主開關管的開關頻率，選擇體積更小的電感進行設計，以此減少電流諧波對電網的污染。
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