【導讀】現代尖端電力電子設備性能升級需要提升係統功率密度

、使用更高的主開關頻率。而現有矽基IGBT配合矽基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矽分立器件（Hybrid SiC Discrete Devices）將新型場截止IGBT技術和碳化矽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。

該器件將傳統的矽基IGBT和碳化矽肖特基二極管合封，在部分應用中可以替代傳統的IGBT （矽基IGBT與矽基快恢複二極管合封）
，使得IGBT的開關損耗大幅降低。這款混合碳化矽分立器件的性能介於超結MOSFET和高性能的碳化矽 MOSFET之間，在某些場合性價比更優於超結MOSFET和碳化矽MOSFET，可(ke)幫(bang)助(zhu)客(ke)戶(hu)在(zai)性(xing)能(neng)和(he)成(cheng)本(ben)之(zhi)間(jian)取(qu)得(de)更(geng)好(hao)的(de)平(ping)衡(heng)，具(ju)有(you)重(zhong)要(yao)的(de)應(ying)用(yong)價(jia)值(zhi)

，特(te)別(bie)適(shi)用(yong)於(yu)對(dui)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)提(ti)升(sheng)有(you)需(xu)求(qiu)
，同(tong)時(shi)更(geng)強(qiang)調(tiao)性(xing)價(jia)比(bi)的(de)電(dian)源(yuan)應(ying)用(yong)領(ling)域(yu)
，如(ru)車(che)載(zai)電(dian)源(yuan)充(chong)電(dian)機(ji)（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
，由於PFC拓tuo撲pu的de設she計ji可ke直zhi接jie影ying響xiang到dao電dian力li轉zhuan換huan係xi統tong效xiao率lv的de高gao低di，使shi得de這zhe一yi關guan鍵jian因yin素su在zai近jin年nian來lai變bian得de愈yu發fa重zhong要yao。為wei進jin一yi步bu提ti高gao電dian源yuan的de工gong作zuo效xiao率lv

，科ke研yan人ren員yuan和he工gong程cheng師shi們men已yi經jing研yan究jiu出chu多duo種zhong不bu同tong的dePFC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

，並已成功大範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麵已有量產項目采用圖騰柱無橋PFC取代傳統的PFC或交錯並聯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，並給出性能和成本平衡的混合碳化矽分立器件解決方案。

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的反並聯二極管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的反並聯二極管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

基於上述第2點的圖騰柱無橋PFC拓撲及其原理分析

，上圖中D3和D4各(ge)自(zi)工(gong)作(zuo)在(zai)交(jiao)流(liu)輸(shu)入(ru)的(de)工(gong)頻(pin)正(zheng)半(ban)周(zhou)期(qi)和(he)負(fu)半(ban)周(zhou)期(qi)，導(dao)通(tong)時(shi)間(jian)較(jiao)長(chang)，因(yin)此(ci)建(jian)議(yi)選(xuan)擇(ze)低(di)速(su)和(he)低(di)導(dao)通(tong)壓(ya)降(jiang)的(de)矽(gui)整(zheng)流(liu)二(er)極(ji)管(guan)。為(wei)進(jin)一(yi)步(bu)提(ti)高(gao)效(xiao)率(lv)，可(ke)以(yi)考(kao)慮(lv)用(yong)矽(gui) 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工作處於電流斷續模式（DCM）或臨界導通模式（CrM）時，T1和T2可以選擇純矽 IGBT （IGBT+FRD）或者超結MOSFET作為主開關管。但是如果圖騰柱無橋PFC工作處於電流連續導通模式（CCM）時，T1和T2如果仍選擇純矽 IGBT （IGBT+FRD）或者超結MOSFET作為主開關管的話，由於IGBT上反並聯的二極管及超結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複電流Irr
，會明顯增大對管開關管的開通損耗，降低整個係統的效率。

可見，在圖騰柱無橋PFC中，現有矽基IGBT配合矽基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單管上反並聯的快速恢複二極管換成基本半導體的“零反向恢複”的碳化矽肖特基二極管（碳化矽 SBD）
，這種組合起來封裝的器件，稱之為混合碳化矽分立器件（Hybrid SiC Discrete Devices）。基本半導體的碳化矽肖特基二極管采用的主要是碳化矽 JBS工藝技術，與矽 FRD對比的主要優點有：

圖9 二極管反向恢複電流Irr和開關管T2開關波形

（1）碳化矽肖特基二極管具有“零反向恢複” 的特點

，可以顯著減少開關管的開通損耗;

（2）“零反向恢複”意味著反向恢複電流跟雜散電感產生的諧振幾乎為零，可顯著改善係統EMI;

（3）碳化矽肖特基二極管 的QC更小
，PFC開關頻率提升時
，使用碳化矽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矽MOSFET器件
，碳化矽MOSFET相對於IGBT或超結MOSFET有更低的開關損耗。碳化矽MOSFET的體二極管雖然也存在反向恢複行為，但是其反向恢複電流相對IGBT或超結MOSFET要小很多。因此，當開關頻率提高時，碳化矽MOSFET的優勢將更為明顯
，係統的效率也會更高。當客戶選擇碳化矽MOSFET為主開關管後，通常也會願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）的矽-MOSFET [B1]
，降低整流器件的導通損耗。

圖10 圖騰柱無橋PFC 碳化矽 MOSFET (T1和T2) + 矽 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矽分立器件，同時也提供了更高效率的全碳化矽 MOSFET方案。

04 對比測試

這裏采用雙脈衝測試方法對圖騰柱無橋PFC中混合碳化矽分立器件和純矽 IGBT進行對比測試
，以評估續流二極管（矽快恢複二極管或碳化矽肖特基二極管）對主開關管損耗的影響
，並同時檢測續流二極管的恢複行為。

圖11 測試原理圖

測試對象：

BG50N065HF（BASiC, IGBT+FRD），BGH50N065HF（BASiC, IGBT+碳化矽肖特基二極管）

測試條件：

圖12 傳統IGBT及混合碳化矽分立器件開關損耗參數對比

如圖12所示，碳化矽肖特基二極管對IGBT的損耗和二極管反向恢複損耗的影響非常大。使用碳化矽肖特基二極管後

，可以顯著降低IGBT的開通損耗和總損耗，基本半導體碳化矽混合分立器件的開通損耗相對於Si IGBT降低55%，總損耗降低33%。

另外，混合碳化矽分立器件的反並聯二極管由於其碳化矽肖特基二極管特性
，基本上不存在反向恢複電流和反向恢複損耗。相對傳統IGBT方案，在高頻和效率提升上，混合碳化矽分立器件的技術優勢更加明顯。

圖13 傳統IGBT及混合碳化矽分立器件反並聯二極管的特性參數對比

如圖13所示，混合碳化矽分立器件的反向恢複時間Trr，反向恢複電流Irr和反向恢複損耗Err明顯降低。

05 總結

基本半導體主要推出了650V 50A和650V 75A的混合碳化矽分立器件，並同時推出了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ti換huan驗yan證zheng測ce試shi及ji使shi用yong，在zai同tong樣yang的de設she計ji係xi統tong中zhong


，客ke戶hu可ke以yi在zai最zui短duan時shi間jian內nei提ti升sheng整zheng機ji效xiao率lv

，降jiang低di散san熱re器qi設she計ji要yao求qiu和he成cheng本ben。客ke戶hu也ye可ke以yi提ti高gao主zhu開kai關guan管guan的de開kai關guan頻pin率lv


，選xuan擇ze體ti積ji更geng小xiao的de電dian感gan進jin行xing設she計ji
，以yi此ci減jian少shao電dian流liu諧xie波bo對dui電dian網wang的de汙wu染ran。

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