【導讀】在寬帶隙半導體的輔助下，圖騰柱功率因數(shù)校正技術日漸成熟，與損耗很低的SiC FET搭配使用后，發(fā)揮了全部潛力。
博客
美國西北太平洋沿岸發(fā)現(xiàn)的圖騰柱有一系列用途，包括用作裝飾和紀念，有些表示歡迎。我不知道在將TTL邏輯電路內以互補方式驅動的兩個晶體管堆疊命名為“圖騰柱”時，那個工程師在想什么圖片圖片。
但是，這個術語現(xiàn)在無疑很受功率界的歡迎，用它構成了“圖騰柱”功率因數(shù)校正級。圖騰柱功率因數(shù)校正級與圖騰柱這種偉大雕刻的關聯(lián)很微弱，但是與TTL輸出級的相似度卻顯而易見，它含兩組堆疊開關，交替驅動，一個支路以交流線路頻率運行，另一個以高頻運行。
【圖1. 圖騰柱PFC電路】
這種電路布置的關鍵在于可以通過解析發(fā)現(xiàn)它與全橋交流整流器后接功率因數(shù)校正升壓電路等價，尤其是由于功率流路線上的元件較少，損耗更低。圖騰柱電路中只需要兩個線路交流整流器二極管，甚至這兩個二極管也可以由同步整流MOSFET替代，實現(xiàn)更低的損耗。從比例上看，在交流/直流轉換器的低壓線路中，橋整流器可以占到接近2%的能效損耗，如果端到端電源的目標能效可以達到96%以滿足80+鈦金標準，則應該為消除2%而努力。
工作原理
在電路中，對于交流線路的一個極而言，一個開關（如Q1）用于導電，另一個（Q2）用于阻擋電流。這樣，功率會進入該極，流入Q3和Q4，它倆構成一個經典的PFC升壓轉換器，其中Q3作為開關，Q4作為同步整流器運行，以便利用標準主電源生成約400V直流電。在另一個交流線路極，Q2導電，Q1阻擋，而相對的半正弦波極路由到升壓轉換器，但是現(xiàn)在Q4是開關，Q3配置為同步整流器以生成同樣的高壓直流軌。由于以同步開關作為二極管，該電路的導電損耗只能由半導體導通電阻、電感器電阻和連接電阻進行限制。舉例而言，由于開關技術的進步，MOSFET現(xiàn)在的RDS(on)值似乎使其成為了低功率到功率相對較高的電路的一種理想選擇。不過有一個問題，采用硅MOSFET，動態(tài)損耗可能很高，以致于電路無法工作。主要問題是在作為同步升壓整流器運行時，由MOSFET體二極管恢復造成的功率損耗。在MOSFET溝道被有效驅動執(zhí)行關閉和打開之間始終有“死區(qū)時間”，從而避免交叉導電，在這期間，整個體二極管通過“換流”導電，同時存儲不想要的電荷。這一效果僅在“連續(xù)導電”模式下發(fā)生，在此模式下，在每個開關循環(huán)中，電感器電流任何時候都不會低至零，但是這種模式是較高功率下的優(yōu)選模式，可將開關和電感器內的峰值電流和電流有效值控制在特定范圍內，以實現(xiàn)低導電損耗。
寬帶隙開關支持實現(xiàn)可行的解決方案
因為上述原因，作為一種惱人的拓撲，圖騰柱PFC級從誕生起就黯淡無光，直至半導體技術發(fā)展起來，誕生了寬帶隙半導體。碳化硅MOSFET的體二極管反向恢復電荷比硅MOSFET低很多，而氮化鎵HEMT單元則沒有該電荷，因此該拓撲的時代到來了?，F(xiàn)在，我們可以切實討論在交流/直流前端實現(xiàn)99%以上的能效，但是實際實施仍有一些困難，因為SiC MOSFET和GaN都需要非常特定的柵極驅動條件才能實現(xiàn)效率的最后一位小數(shù)點和維持可靠性。
柵極驅動問題已經通過在設計中采用UnitedSiC制造的SiC FET得到解決，SiC FET是SiC JFET和硅MOSFET的共源共柵結構。現(xiàn)在，柵極可以在“正常”的MOSFET或IGBT電平下驅動，并距離絕對最大+/-值有很大的安全裕度，在驅動器件完全打開時也有穩(wěn)定的閾值水平，這很大程度上取決于時間和溫度。不過還有別的情況，在相同電壓級和相同晶粒面積下，SiC FET的導通電阻比SiC MOSFET和GaN晶體管低得多，因此每個晶圓制造的晶粒數(shù)得以提高，而反過來，在導通電阻相同的條件下，晶粒面積會變小，這使得器件電容較低，開關損耗因而也較低。最終的結果是整體損耗較低，有簡單的柵極驅動，還可以確信，由于GaN器件中缺少高能量雪崩額定值，可靠性不會受損。
圖騰柱一詞來自亞爾岡京語“odoodem”，意思是“親屬群體”，對于巧妙的拓撲和接近理想的SiC FET開關的組合而言，的確不失為一個好名字。
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