利用拓扑创新更大限度提高功率密度

除了元件级创新外，拓扑创新也可以帮助您简化高压系统中的电源转换。交流/直流整流器很好地展示了宽带隙技术如何改善常见拓扑，从而提高功率密度并减轻设计重量。一直以来，工程师使用桥式二极管整流器和电容器将交流电压整流为直流电压，如图 7 所示。

图 7 全桥整流器。

此类整流器的功率因数通常小于 0.5，具体取决于输出电容器和负载的总阻抗。这无法实现节能，因为这样的设计会产生太多无用功率（无功功率）。

为了解决低功率因数问题，工程师们提出了有源功率因数校正 (PFC) 电路方案。图 8 显示了升压 PFC 电路，该电路通常接受通用交流电压（90V_AC 至 264V_AC），并在输出端将电压提升到 400V 稳定电压。通过输入电压检测，此控制器可调节电感器电流以遵循交流正弦形状，几乎可实现单位功率因数 (0.99)。

图 8 PFC 升压电路。

这种类型的升压 PFC 整流器能够通过超结硅 MOSFET 和 SiC 二极管实现非常高的效率 (>98%)。

升压 PFC 整流器中的全桥二极管整流器在千瓦级高压系统中的损耗占总体效率损失的 1% 以上。例如，在 2kW 整流器中，全桥二极管整流器上的损耗预计会超过 20W。很难从单个器件消除 20W 的损耗。为了减少全桥二极管整流器上的损耗，图 9 中所示的图腾柱无桥 PFC 提供了一个很好的替代方案。由于升压转换器集成了整流器功能，并且只有两个额外的 MOSFET（而不是四个二极管），因此总整流器损耗（使用两个低频 FET）远低于原始桥式整流器示例。

图 9 图腾柱无桥 PFC 电路。

连续导通模式 (CCM) 图腾柱无桥 PFC 是硬开关转换器，广泛应用于高压整流器。因此，如果将硅 MOSFET 应用于图腾柱无桥 PFC，硅 MOSFET 将会因 Q_rr 而受到高开关损耗的影响。如图 10 所示，在左上方 MOSFET 体二极管电流传导后，Q_rr 将产生反向恢复电流，以便在左半桥的死区时间内为左下方的 MOSFET C_oss 充电。一旦左下方 MOSFET 导通，Q_rr 感应能量将消散到左下方 MOSFET 中。与 Q_rr 相关的损耗会降低全桥二极管整流器上的损耗。

图 10 在图腾柱无桥 PFC 中，反向恢复电荷导致的开关损耗。

宽带隙 FET 的存在很大程度上有助于解决新型图腾柱无桥 PFC 拓扑中与 Q_rr 相关的损耗问题。SiC MOSFET 可以在相同导通电阻电平下实现比超结 MOSFET 小 20 倍的 Q_rr，而 GaN FET 可以实现零 Q_rr。在整流器示例中融合元件和拓扑创新（换句话说，将宽带隙 FET 与图腾柱无桥 PFC 结合使用）时，您可以实现超过 99% 的效率（效率提升 >1%），从而在您的设计中实现更高的功率密度和更轻的重量。