傾佳電子基于碳化硅MOSFET的圖騰柱無橋PFC技術(shù)深度分析報告

傾佳電子（Changer Tech）是一家專注于功率半導(dǎo)體和新能源汽車連接器的分銷商。他們主要服務(wù)于中國工業(yè)電源、電力電子設(shè)備和新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈。傾佳電子聚焦于新能源、交通電動化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型三大方向，并提供包括IGBT、SiC MOSFET、GaN等功率半導(dǎo)體器件以及新能源汽車連接器。?

傾佳電子楊茜致力于推動國產(chǎn)SiC碳化硅模塊在電力電子應(yīng)用中全面取代進(jìn)口IGBT模塊，助力電力電子行業(yè)自主可控和產(chǎn)業(yè)升級！

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET功率器件三個必然，勇立功率半導(dǎo)體器件變革潮頭：

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET模塊全面取代IGBT模塊和IPM模塊的必然趨勢！

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET單管全面取代IGBT單管和大于650V的高壓硅MOSFET的必然趨勢！

傾佳電子楊茜咬住650V SiC碳化硅MOSFET單管全面取代SJ超結(jié)MOSFET和高壓GaN 器件的必然趨勢！

摘要

在追求更高能效和更緊湊功率因數(shù)校正（PFC）電源系統(tǒng)的時代背景下，圖騰柱無橋PFC拓?fù)鋺{借其簡潔高效的架構(gòu)，已成為行業(yè)關(guān)注的焦點。然而，該拓?fù)湓谶B續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下的穩(wěn)定高效運(yùn)行，長期以來受限于傳統(tǒng)硅基（Si）MOSFET體二極管固有的嚴(yán)重反向恢復(fù)問題。碳化硅（SiC）MOSFET作為第三代半導(dǎo)體技術(shù)的代表，其近乎零反向恢復(fù)的體二極管特性，完美地解決了這一核心瓶頸，從而成為解鎖圖騰柱無橋PFC全部潛能的關(guān)鍵使能技術(shù)。本報告通過深入分析圖騰柱無橋PFC的拓?fù)湓?、核心?yōu)勢及其發(fā)展趨勢，并結(jié)合基本半導(dǎo)體（BASiC）SiC MOSFET系列產(chǎn)品的關(guān)鍵性能參數(shù)，系統(tǒng)論證了SiC器件在該拓?fù)渲械臎Q定性作用，為高功率密度電源系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化提供了詳實的理論和數(shù)據(jù)支持。

1. 引言：高效率功率因數(shù)校正的范式轉(zhuǎn)移

1.1 傳統(tǒng)PFC拓?fù)涞墓逃芯窒扌?/p>

功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)旨在強(qiáng)制交流輸入電流跟隨輸入電壓，以提高功率因數(shù)并減少電網(wǎng)諧波污染。傳統(tǒng)的有橋升壓PFC拓?fù)洌梢粋€由四個二極管組成的整流橋后接一個單相升壓PFC級構(gòu)成，長期以來是主流解決方案。盡管這種架構(gòu)成熟且成本可控，但其效率存在根本性瓶頸。整流橋中的四個二極管在整個交流周期內(nèi)持續(xù)導(dǎo)通，尤其在低壓輸入時，每個二極管的約0.7 V正向壓降累積，導(dǎo)致高達(dá)1.4 V的持續(xù)電壓損耗，這部分傳導(dǎo)損耗成為系統(tǒng)效率的主要限制因素 。隨著全球能效法規(guī)的日益嚴(yán)苛，以及對電源功率密度不斷提升的需求，傳統(tǒng)拓?fù)涞男室央y以滿足最新的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 圖騰柱無橋PFC：應(yīng)運(yùn)而生的新范式

為了突破傳統(tǒng)拓?fù)涞男势款i，圖騰柱無橋PFC（Totem-Pole Bridgeless PFC）拓?fù)鋺?yīng)運(yùn)而生。其核心設(shè)計理念在于大膽地移除了傳統(tǒng)的整流橋，將交流輸入直接施加于由四個開關(guān)管組成的“圖騰柱”結(jié)構(gòu)上 。這一創(chuàng)新性設(shè)計直接消除了傳統(tǒng)橋式整流器所帶來的傳導(dǎo)損耗，從根本上提升了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。文獻(xiàn)研究表明，圖騰柱無橋PFC拓?fù)淠軌驅(qū)⒎逯敌侍嵘?9%以上，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)拓?fù)?。此外，該拓?fù)涞钠骷昧扛?，結(jié)構(gòu)更為簡潔，為實現(xiàn)更高的功率密度和更緊湊的電源設(shè)計提供了可能性 。

1.3 報告核心論點：碳化硅MOSFET是實現(xiàn)新范式的基石

盡管圖騰柱無橋PFC拓?fù)湓诶碚撋暇哂酗@著優(yōu)勢，但其商業(yè)化應(yīng)用長期受阻。其主要難點在于，在高效的連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下，拓?fù)渲懈咚贅虮鄣拈_關(guān)管需要頻繁地進(jìn)行“硬開關(guān)”換流。傳統(tǒng)硅基（Si）MOSFET的體二極管存在嚴(yán)重的反向恢復(fù)問題，導(dǎo)致巨大的開關(guān)損耗和電磁干擾（EMI），使得CCM模式下的圖騰柱PFC無法穩(wěn)定高效運(yùn)行 。因此，該拓?fù)湓谠缙谥荒鼙黄裙ぷ髟谂R界導(dǎo)通模式（CrM）或不連續(xù)導(dǎo)通模式（DCM），以規(guī)避體二極管的反向恢復(fù)問題。

碳化硅（SiC）MOSFET的出現(xiàn)，從器件層面完美解決了這一“致命弱點”。其體二極管具有近乎零的反向恢復(fù)特性，使得圖騰柱無橋PFC能夠在CCM模式下實現(xiàn)低損耗、高效率運(yùn)行，從而成為該拓?fù)浯笠?guī)模商業(yè)化應(yīng)用的核心使能技術(shù)。

2. 圖騰柱無橋PFC的技術(shù)原理與架構(gòu)深度剖析

2.1 核心拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作模式

圖騰柱無橋PFC的基本電路結(jié)構(gòu)包含一個升壓電感（L），一個由兩個高速開關(guān)管（S1, S2）組成的高頻橋臂，以及一個由兩個慢速開關(guān)管（S3, S4）組成的低頻橋臂 。在實際應(yīng)用中，低頻橋臂的開關(guān)管通常選用導(dǎo)通電阻極低的慢速硅基超結(jié)MOSFET，因其僅在工頻（50/60 Hz）下進(jìn)行切換。而高頻橋臂則必須使用具有卓越開關(guān)性能的第三代半導(dǎo)體器件，如SiC MOSFET，以應(yīng)對高頻開關(guān)任務(wù)。

圖騰柱無橋PFC的運(yùn)行原理是利用高頻橋臂和低頻橋臂的協(xié)同工作，在交流輸入電壓的正半周和負(fù)半周分別構(gòu)建一個升壓斬波電路，從而實現(xiàn)功率因數(shù)校正。這種架構(gòu)本質(zhì)上是將一個傳統(tǒng)的升壓PFC拓?fù)湟环譃槎?，通過高頻開關(guān)管的動態(tài)切換，交替地在交流輸入電壓的正弦波形上實現(xiàn)升壓功能。

2.2 交流輸入正/負(fù)半周的工作原理詳解

由于拓?fù)涞膶ΨQ性，其在正負(fù)半周的工作原理相似。

交流輸入正半周的工作模式： 在交流輸入電壓為正的半個周期內(nèi)，低頻橋臂的開關(guān)管S4始終保持導(dǎo)通狀態(tài)，為整個電路提供一個接地回路。同時，高頻橋臂的開關(guān)管S1和S2作為主動開關(guān)，以高頻（通常在數(shù)十至數(shù)百kHz）進(jìn)行互補(bǔ)導(dǎo)通和關(guān)斷。當(dāng)S1導(dǎo)通時，電感L充電；當(dāng)S2導(dǎo)通時，電感L放電，將能量傳遞給輸出電容并維持輸出電壓。在此期間，S3始終保持關(guān)斷狀態(tài)。

交流輸入負(fù)半周的工作模式： 當(dāng)交流輸入電壓進(jìn)入負(fù)半周時，低頻橋臂的開關(guān)管S3始終保持導(dǎo)通，為電路提供一個返回回路。此時，高頻橋臂的S1和S2再次作為主動開關(guān)，進(jìn)行高頻互補(bǔ)斬波操作，但其工作方式與正半周相反，由S2負(fù)責(zé)電感充電，S1負(fù)責(zé)電感放電。在此期間，S4保持關(guān)斷狀態(tài)。

值得注意的是，傳統(tǒng)的硅基MOSFET由于其體二極管的反向恢復(fù)問題，在CCM模式下無法作為圖騰柱PFC的高速開關(guān)。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，其體二極管需要從導(dǎo)通狀態(tài)迅速恢復(fù)到截止?fàn)顟B(tài)，這一過程中會產(chǎn)生巨大的反向恢復(fù)電流和損耗，嚴(yán)重影響效率并產(chǎn)生大量的EMI噪聲。這正是早期圖騰柱PFC拓?fù)渲荒茉谂R界導(dǎo)通模式下運(yùn)行以避免這一問題的根本原因 。而SiC器件的出現(xiàn)，徹底消除了這一顧慮，使得CCM模式下的圖騰柱PFC成為可能。

2.3 關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)的應(yīng)對策略

盡管SiC器件解決了核心的開關(guān)問題，圖騰柱無橋PFC在實際設(shè)計中仍面臨多重挑戰(zhàn)，需要系統(tǒng)級的解決方案：

零電壓開關(guān)（ZVS）： 為了進(jìn)一步降低高頻開關(guān)損耗，實現(xiàn)零電壓開關(guān)（ZVS）是關(guān)鍵。文獻(xiàn)分析表明，在圖騰柱PFC中，高頻橋臂的開關(guān)管在不同占空比下可以實現(xiàn)ZVS 。通過精確的控制，可以在開關(guān)管兩端的電壓降至零時再開啟，從而顯著減少開關(guān)損耗，進(jìn)一步提升系統(tǒng)效率。

系統(tǒng)控制與保護(hù)： 圖騰柱無橋PFC對控制算法和控制器性能提出了極高的要求。由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中沒有整流橋的阻隔，輸入交流電直接加在開關(guān)管上，需要更復(fù)雜的控制方案和更快速的保護(hù)機(jī)制，如逐周期（CBC）過電流保護(hù)，以應(yīng)對過流、浪涌過壓等瞬態(tài)事件 。專用的數(shù)字PFC控制器（如HP1010）應(yīng)運(yùn)而生，它們能夠提供高級的控制功能，例如，通過頻率微調(diào)來優(yōu)化EMI性能，并提供靈活的保護(hù)參數(shù)配置 。

電流采樣： 圖騰柱PFC的電感電流采樣面臨高壓隔離和低延時兩大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的單分流電阻方案不再適用。為了實現(xiàn)精確的電流檢測，需要采用隔離電流采樣方案，包括霍爾效應(yīng)傳感器、隔離運(yùn)算放大器（OP-AMP）和電流互感器（CT） 。每種方案各有優(yōu)缺點：霍爾傳感器功耗低但帶寬有限，可能影響逐周期保護(hù)的響應(yīng)速度；隔離運(yùn)放電路復(fù)雜且易受共模電壓干擾；而電流互感器則能提供高帶寬和高精度，是圖騰柱PFC電流采樣的優(yōu)選方案之一 。

3. 圖騰柱無橋PFC的核心優(yōu)勢與應(yīng)用價值

3.1 極致的效率提升

圖騰柱無橋PFC最顯著的優(yōu)勢是其無與倫比的轉(zhuǎn)換效率。與傳統(tǒng)的有橋升壓PFC相比，該拓?fù)湓谡麄€交流輸入周期內(nèi)消除了整流橋帶來的傳導(dǎo)損耗，這一損耗在低壓輸入時尤為明顯 。效率的提升不僅僅是節(jié)省電費(fèi)，更帶來了一系列連鎖反應(yīng)。高效率意味著更低的發(fā)熱量，這直接導(dǎo)致對散熱系統(tǒng)的需求大幅降低。根據(jù)附件中對SiC MOSFET的描述，其優(yōu)勢之一就是“減少散熱片需求” 。當(dāng)拓?fù)浔旧淼母咝逝cSiC器件優(yōu)異的熱性能相結(jié)合時，系統(tǒng)發(fā)熱量將得到有效控制，使得設(shè)計師可以減小甚至取消散熱片，從而顯著降低系統(tǒng)成本和體積。

3.2 功率密度的大幅增加

功率密度是現(xiàn)代電源設(shè)計的重要指標(biāo)，它衡量了單位體積內(nèi)所能提供的功率。圖騰柱無橋PFC通過以下兩個方面大幅提升了功率密度：

高開關(guān)頻率： SiC MOSFET憑借其低開關(guān)損耗和低電容特性，能夠在遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)硅基器件的頻率下工作，例如在200kHz至250kHz的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)高效率轉(zhuǎn)換 。高開關(guān)頻率使得PFC電路中的無源元件（如升壓電感和濾波電容）可以顯著減小物理尺寸，從而直接壓縮整個電源模塊的體積。

高效率帶來的體積減?。?/strong> 前述的低發(fā)熱特性意味著對散熱片體積的依賴降低，這也是電源體積得以減小的關(guān)鍵因素之一。 在實際應(yīng)用中，這種優(yōu)勢已經(jīng)得到驗證。有報道指出，結(jié)合SiC器件和先進(jìn)控制器，單相3kW PFC電源的功率密度可以超過40W/in3 。