現代尖端電力電子設備性能升級需要提升系統功率密度、使用更高的主開關頻率。而現有硅基IGBT配合硅基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硅分立器件（Hybrid SiC Discrete Devices）將新型場截止IGBT技術和碳化硅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。

 

該器件將傳統的硅基IGBT和碳化硅肖特基二極管合封，在部分應用中可以替代傳統的IGBT （硅基IGBT與硅基快恢復二極管合封），使得IGBT的開關損耗大幅降低。這款混合碳化硅分立器件的性能介于超結MOSFET和高性能的碳化硅 MOSFET之間，在某些場合性價比更優于超結MOSFET和碳化硅MOSFET，可幫助客戶在性能和成本之間取得更好的平衡，具有重要的應用價值，特別適用于對功率密度提升有需求，同時更強調性價比的電源應用領域，如車載電源充電機（OBC）、通信電源、高頻DC-DC電源轉換器、UPS等。

 

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，由于PFC拓撲的設計可直接影響到電力轉換系統效率的高低，使得這一關鍵因素在近年來變得愈發重要。為進一步提高電源的工作效率，科研人員和工程師們已經研究出多種不同的PFC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，并已成功大范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、效率等優點，因此在車載OBC及通信電源等高效應用方面已有量產項目采用圖騰柱無橋PFC取代傳統的PFC或交錯并聯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，并給出性能和成本平衡的混合碳化硅分立器件解決方案。

 

02 圖騰柱無橋PFC拓撲分析

 

正半周期，T2開通，電感儲能 

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的反并聯二極管D1開通，電感L釋放能量，電流回路如圖6所示；

 

負半周期，T1開通，電感儲能

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的反并聯二極管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

 

基于上述第2點的圖騰柱無橋PFC拓撲及其原理分析，上圖中D3和D4各自工作在交流輸入的工頻正半周期和負半周期，導通時間較長，因此建議選擇低速和低導通壓降的硅整流二極管。為進一步提高效率，可以考慮用硅 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工作處于電流斷續模式（DCM）或臨界導通模式（CrM）時，T1和T2可以選擇純硅 IGBT （IGBT+FRD）或者超結MOSFET作為主開關管。但是如果圖騰柱無橋PFC工作處于電流連續導通模式（CCM）時，T1和T2如果仍選擇純硅 IGBT （IGBT+FRD）或者超結MOSFET作為主開關管的話，由于IGBT上反并聯的二極管及超結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復電流Irr，會明顯增大對管開關管的開通損耗，降低整個系統的效率。

可見，在圖騰柱無橋PFC中，現有硅基IGBT配合硅基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單管上反并聯的快速恢復二極管換成基本半導體的“零反向恢復”的碳化硅肖特基二極管（碳化硅 SBD），這種組合起來封裝的器件，稱之為混合碳化硅分立器件（Hybrid SiC Discrete Devices）。基本半導體的碳化硅肖特基二極管采用的主要是碳化硅 JBS工藝技術，與硅 FRD對比的主要優點有：

 二極管反向恢復電流Irr和開關管T2開關波形

 

（1）碳化硅肖特基二極管具有“零反向恢復” 的特點，可以顯著減少開關管的開通損耗;

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

 

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

 

 圖騰柱無橋PFC 碳化硅 MOSFET (T1和T2) + 硅 MOSFET (T3和T4) 方案

 

 方案二的效率是的，相對地，客戶端付出的成本也是的。

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硅分立器件，同時也提供了更高效率的全碳化硅 MOSFET方案。

 

這里采用雙脈沖測試方法對圖騰柱無橋PFC中混合碳化硅分立器件和純硅 IGBT進行對比測試，以評估續流二極管（硅快恢復二極管或碳化硅肖特基二極管）對主開關管損耗的影響，并同時檢測續流二極管的恢復行為。

 

測試原理圖

 

測試對象：

BG50N065HF（BASiC, IGBT+FRD），BGH50N065HF（BASiC, IGBT+碳化硅肖特基二極管）

測試條件：

 

Vbus=400V, Rgon=Rgoff=10Ω, VGE=15V/0V, L=200uH 

傳統IGBT及混合碳化硅分立器件開關損耗參數對比

 

如圖12所示，碳化硅肖特基二極管對IGBT的損耗和二極管反向恢復損耗的影響非常大。使用碳化硅肖特基二極管后，可以顯著降低IGBT的開通損耗和總損耗，基本半導體碳化硅混合分立器件的開通損耗相對于Si IGBT降低55%，總損耗降低33%。

另外，混合碳化硅分立器件的反并聯二極管由于其碳化硅肖特基二極管特性，基本上不存在反向恢復電流和反向恢復損耗。相對傳統IGBT方案，在高頻和效率提升上，混合碳化硅分立器件的技術優勢更加明顯。

 

 傳統IGBT及混合碳化硅分立器件反并聯二極管的特性參數對比

混合碳化硅分立器件的反向恢復時間Trr，反向恢復電流Irr和反向恢復損耗Err明顯降低。

 

05總結

基本半導體主要推出了650V 50A和650V 75A的混合碳化硅分立器件，并同時推出了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替換驗證測試及使用，在同樣的設計系統中，客戶可以在最短時間內提升整機效率，降低散熱器設計要求和成本。客戶也可以提高主開關管的開關頻率，選擇體積更小的電感進行設計，以此減少電流諧波對電網的污染。

 

 

BASiC基本半導體650V/1200V Hybrid IGBT 單管IGBT TO274-3和TO247-4 具備高速IGBT技術和碳化硅肖特基二極管的主要優點，具備出色的開關速度和更低的開關損耗，TO-247 4 引腳封裝具有一個額外的開爾文發射極連接。此 4 引腳也被稱為開爾文發射極端子，繞過柵極控制回路上的發射極引線電感，從而提高 IGBT或者碳化硅MOSFET 的開關速度并降低開關能量。主要規格有BGH50N65HF1（IKW50N65RH5國產替代，AIKW50N65RF5國產替代，IKW50N65SS5國產替代），BGH50N65ZF1 （IKZA50N65RH5，IKZA50N65SS5國產替代），BGH75N65HF1（IKW75N65RH5，IKW75N65SS5國產替代），BGH75N65ZF1（IKZA75N65RH5，IKZA75N65SS5國產替代），BGH40N120HF（IKW40N120H3，IKW40N120CS6，IKW40N120CS7國產替代）特別適用于 DC-DC 功率變換器和PFC電路。其常見應用包括：車載充電機（OBC）、ESS儲能系統、PV inverter光伏逆變器、UPS不間斷電源系統 (UPS)，以及服務器和電信用開關電源 (SMPS) ，基本半導體混合碳化硅分立器件將新型場截止IGBT技術和碳化硅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方案。該器件將傳統的硅基IGBT和碳化硅肖特基二極管合封，在部分應用中可以替代傳統的IGBT （硅基IGBT與硅基快恢復二極管合封），使IGBT的開關損耗大幅降低，適用于車載電源充電機（OBC）、通信電源、高頻DC-DC電源轉換器、儲能等領域。

 

BASiC基本半導體混合IGBT Hybrid Discrete搭載了為高頻開關優化的IGBT晶圓以及650VBASiC基本SiC二極管，基本SiC二極管極小Qrr，有效降低對管IGBT開通損耗，且自身反向恢復損耗Erec也明顯降低，IGBT開通損耗隨溫度的影響很小，降低EMI，廣泛應用于OBC車載充電器，光伏儲能逆變器，充電樁電源模塊，移動儲能逆變器功率因數校正（PFC）、DC-DC（直流-直流）和DC-AC（直流-交流）等。

 

BASiC基本半導體碳化硅MOSFET B1M160120HC，B1M080120HC，B1M080120HK，B1M032120HC，B1M032120HK具備開關中的小柵極電荷和器件電容、反并聯二極管無反向恢復損耗、與溫度無關的低開關損耗，以及無閾值通態特性等。非常適合硬開關和諧振開關拓撲，如LLC和ZVS，廣泛應用于OBC車載充電器，光伏儲能逆變器，充電樁電源模塊等，可以像IGBT或MOSFET一樣使用易于使用的驅動器進行驅動。由于能在高開關頻率下帶來高效率，從而可以減小系統尺寸、增大功率密度，并確保高可靠性，延長使用壽命。

 

光伏逆變器升壓SiC碳化硅二極管B2D10120H1,B2D20120HC1,B2D20120H1,B2D30120HC1,B2D30120H1,B2D40120H1,B2D20065HC1,B2D20065H1,B2D30065H,B2D40065H，B2D02120E1,光伏逆變器SiC MOSFET，IGBT Hybrid Discrete，混合三電平SiC-IGBT模塊，IGBT單管，混合IGBT單管，SiC MOSFET,SiC Power MOSFET,SiC MOSFET模塊，SOT-227碳化硅肖特基二極管模塊，混合SiC-IGBT模塊，BASiC基本混合混合SiC-IGBT單管，分立碳化硅MOSFET，TO263-7碳化硅MOSFET，碳化硅（SiC）MOSFET，儲能逆變器SiC MOSFET，光伏逆變器SiC MOSFET，三電平IGBT模塊，光儲一體機混合IGBT器件

 

BASiC基本半導體第三代碳化硅肖特基二極管在沿用6英寸晶圓工藝基礎上，實現了更高的電流密度、更小的元胞尺寸、更低的正向導通壓降。BASiC基本半導體第三代碳化硅肖特基二極管繼承了一代和二代產品的優點，采用JBS結構，優化了N-外延層的摻雜濃度，減薄N+襯底層，使得二極管具有更低的正向導通壓降VF和結電荷QC，可以降低應用端的導通損耗和開關損耗。