利用拓?fù)鋭?chuàng)新更大限度提高功率密度

除了元件級(jí)創(chuàng)新外，拓?fù)鋭?chuàng)新也可以幫助您簡(jiǎn)化高壓系統(tǒng)中的電源轉(zhuǎn)換。交流/直流整流器很好地展示了寬帶隙技術(shù)如何改善常見(jiàn)拓?fù)?，從而提高功率密度并減輕設(shè)計(jì)重量。一直以來(lái)，工程師使用橋式二極管整流器和電容器將交流電壓整流為直流電壓，如圖 7 所示。

此類(lèi)整流器的功率因數(shù)通常小于 0.5，具體取決于輸出電容器和負(fù)載的總阻抗。這無(wú)法實(shí)現(xiàn)節(jié)能，因?yàn)檫@樣的設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生太多無(wú)用功率（無(wú)功功率）。

為了解決低功率因數(shù)問(wèn)題，工程師們提出了有源功率因數(shù)校正 (PFC) 電路方案。圖 8 顯示了升壓 PFC 電路，該電路通常接受通用交流電壓（90V_AC 至 264V_AC），并在輸出端將電壓提升到 400V 穩(wěn)定電壓。通過(guò)輸入電壓檢測(cè)，此控制器可調(diào)節(jié)電感器電流以遵循交流正弦形狀，幾乎可實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù) (0.99)。

這種類(lèi)型的升壓 PFC 整流器能夠通過(guò)超結(jié)硅 MOSFET 和 SiC 二極管實(shí)現(xiàn)非常高的效率 (>98%)。

升壓 PFC 整流器中的全橋二極管整流器在千瓦級(jí)高壓系統(tǒng)中的損耗占總體效率損失的 1% 以上。例如，在 2kW 整流器中，全橋二極管整流器上的損耗預(yù)計(jì)會(huì)超過(guò) 20W。很難從單個(gè)器件消除 20W 的損耗。為了減少全橋二極管整流器上的損耗，圖 9 中所示的圖騰柱無(wú)橋 PFC 提供了一個(gè)很好的替代方案。由于升壓轉(zhuǎn)換器集成了整流器功能，并且只有兩個(gè)額外的 MOSFET（而不是四個(gè)二極管），因此總整流器損耗（使用兩個(gè)低頻 FET）遠(yuǎn)低于原始橋式整流器示例。

連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 圖騰柱無(wú)橋 PFC 是硬開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器，廣泛應(yīng)用于高壓整流器。因此，如果將硅 MOSFET 應(yīng)用于圖騰柱無(wú)橋 PFC，硅 MOSFET 將會(huì)因 Q_rr 而受到高開(kāi)關(guān)損耗的影響。如圖 10 所示，在左上方 MOSFET 體二極管電流傳導(dǎo)后，Q_rr 將產(chǎn)生反向恢復(fù)電流，以便在左半橋的死區(qū)時(shí)間內(nèi)為左下方的 MOSFET C_oss 充電。一旦左下方 MOSFET 導(dǎo)通，Q_rr 感應(yīng)能量將消散到左下方 MOSFET 中。與 Q_rr 相關(guān)的損耗會(huì)降低全橋二極管整流器上的損耗。

寬帶隙 FET 的存在很大程度上有助于解決新型圖騰柱無(wú)橋 PFC 拓?fù)渲信c Q_rr 相關(guān)的損耗問(wèn)題。SiC MOSFET 可以在相同導(dǎo)通電阻電平下實(shí)現(xiàn)比超結(jié) MOSFET 小 20 倍的 Q_rr，而 GaN FET 可以實(shí)現(xiàn)零 Q_rr。在整流器示例中融合元件和拓?fù)鋭?chuàng)新（換句話(huà)說(shuō)，將寬帶隙 FET 與圖騰柱無(wú)橋 PFC 結(jié)合使用）時(shí)，您可以實(shí)現(xiàn)超過(guò) 99% 的效率（效率提升 >1%），從而在您的設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)更高的功率密度和更輕的重量。