利用拓撲創新更大限度提高功率密度

除了元件級創新外，拓撲創新也可以幫助您簡化高壓系統中的電源轉換。交流/直流整流器很好地展示了寬帶隙技術如何改善常見拓撲，從而提高功率密度并減輕設計重量。一直以來，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。

此類整流器的功率因數通常小于 0.5，具體取決于輸出電容器和負載的總阻抗。這無法實現節能，因為這樣的設計會產生太多無用功率（無功功率）。

為了解決低功率因數問題，工程師們提出了有源功率因數校正 (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 穩定電壓。通過輸入電壓檢測，此控制器可調節電感器電流以遵循交流正弦形狀，幾乎可實現單位功率因數 (0.99)。

這種類型的升壓 PFC 整流器能夠通過超結硅 MOSFET 和 SiC 二極管實現非常高的效率 (>98%)。

升壓 PFC 整流器中的全橋二極管整流器在千瓦級高壓系統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計會超過 20W。很難從單個器件消除 20W 的損耗。為了減少全橋二極管整流器上的損耗，圖 9 中所示的圖騰柱無橋 PFC 提供了一個很好的替代方案。由于升壓轉換器集成了整流器功能，并且只有兩個額外的 MOSFET（而不是四個二極管），因此總整流器損耗（使用兩個低頻 FET）遠低于原始橋式整流器示例。

連續導通模式 (CCM) 圖騰柱無橋 PFC 是硬開關轉換器，廣泛應用于高壓整流器。因此，如果將硅 MOSFET 應用于圖騰柱無橋 PFC，硅 MOSFET 將會因 Q_rr 而受到高開關損耗的影響。如圖 10 所示，在左上方 MOSFET 體二極管電流傳導后，Q_rr 將產生反向恢復電流，以便在左半橋的死區時間內為左下方的 MOSFET C_oss 充電。一旦左下方 MOSFET 導通，Q_rr 感應能量將消散到左下方 MOSFET 中。與 Q_rr 相關的損耗會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橋 PFC 拓撲中與 Q_rr 相關的損耗問題。SiC MOSFET 可以在相同導通電阻電平下實現比超結 MOSFET 小 20 倍的 Q_rr，而 GaN FET 可以實現零 Q_rr。在整流器示例中融合元件和拓撲創新（換句話說，將寬帶隙 FET 與圖騰柱無橋 PFC 結合使用）時，您可以實現超過 99% 的效率（效率提升 >1%），從而在您的設計中實現更高的功率密度和更輕的重量。