图腾柱PFC阶段随着SiC FET的成熟而成熟

在美国太平洋西北部发现的图腾柱具有一系列功能，从装饰到纪念，有些签署欢迎，有些是公开羞辱或嘲笑的练习。我不确定当工程师决定将这个名字应用于TTL逻辑中以互补方式驱动的两个晶体管的堆栈时，我不确定哪个，但这个术语现在肯定是电源世界的一个受欢迎的补充，以“图腾柱”功率因数校正阶段的形式。与纪念性雕刻的联系仍然有点脆弱，但与TTL输出级的相似性仍然存在 - 两组堆叠开关，交替驱动，一个支腿在交流线路频率下，一个支路在高频下。

图1.图腾柱PFC电路

这种布置的要点是，它可以被解构为相当于一个全桥交流整流器，然后是一个功率因数校正升压电路，但实际上与功率流一致的元件更少，损耗更低。图腾柱电路中只需要两个线路交流整流二极管，甚至可以用同步整流MOSFET代替，以实现更低的损耗。它的规模在于，桥式整流器在AC/DC转换器的低压线路下可能导致接近2%的效率损失，而当端到端电源的目标效率为96%以满足80+钛标准时，2%是非常值得消除的。

工作原理

在电路中，对于线路交流的一个极性，一个开关（例如Q1）设置为导通，Q2设置为阻塞。然后将该极性功率馈送到Q3和Q4，形成经典的PFC升压转换器，Q3作为开关，Q4作为同步整流器工作，从标准电源产生约400V DC。在另一个交流线路极性上，Q2导通，Q1模块和半正弦的相反极性被路由到升压转换器，但现在Q4是开关，Q3配置为同步整流器，产生相同的高压直流轨。采用同步开关作为二极管时，电路的导通损耗仅受半导体导通电阻以及电感和连接欧姆电阻的限制。随着开关技术的进步，例如MOSFET现在可以具有RDS（开启）这些值似乎使它们在相对高功率的电路中成为理想之选。但有一个问题，对于硅MOSFET，动态损耗可能非常高，以至于电路无法工作。主要问题是在用作升压同步整流器时，MOSFET的体二极管恢复导致功耗。MOSFET通道被主动驱动和打开之间始终存在一个“死区时间”，以避免交叉传导，在此期间，积分体二极管通过“换向”传导，存储有问题的电荷。这种效应仅在“连续导通”模式下发生，其中电感电流在每个开关周期中永远不会降至零，但这是较高功率下的首选模式，可将开关和电感中的峰值和均方根电流保持在实际值内，以实现低导通损耗。

宽带隙开关可实现可行的解决方案

因此，图腾柱PFC阶段从最初的提案到半导体技术以宽带隙半导体的形式赶上，作为一种诱人的拓扑结构萎靡不振。碳化硅MOSFET的体二极管反向恢复电荷比硅MOSFET低得多，而氮化镓HEMT电池根本没有，因此拓扑的时代已经到来。我们现在可以现实地谈论AC/DC前端中99%以上的效率，但是实际实现仍然存在一些困难，因为SiC MOSFET和GaN都需要非常特定的栅极驱动条件来提取效率的最后一小点并保持可靠性。

栅极驱动问题可以通过设计UnitedSiC的SiC FET来解决，SiC JFET和硅MOSFET的级联组合。栅极现在可以以“正常”MOSFET或IGBT电平驱动，安全裕度很大，达到绝对最大值+/-值，在完全导通器件时具有稳定的阈值电平，在很大程度上与时间和温度无关。但是等等，还有更多 – SiC FET 在相同电压等级下与 SiC MOSFET 和 GaN 晶体管在相同芯片面积下的导通电阻要低得多，因此每个晶圆的芯片得到改善，相反，对于相同的导通电阻，芯片面积可以更小，从而降低器件电容，从而降低开关损耗。最终结果是更低的总损耗，简单的栅极驱动，并确保可靠性不会因GaN器件中不存在的高能量雪崩额定值而受到影响。

图腾这个词来自阿尔冈昆语“odoodem”，意思是“亲属群体”，也许是对优雅拓扑结构和近乎理想的 SiC FET 开关的幸福结合的一个很好的参考。

审核编辑：郭婷