【導(dǎo)讀】碳化硅（SiC）憑借其優(yōu)異的材料特性，在服務(wù)器、工業(yè)電源等關(guān)鍵領(lǐng)域掀起技術(shù)變革浪潮。本教程聚焦SiC 尤其是SiC JFET系列器件，從碳化硅如何重構(gòu)電源設(shè)計邏輯出發(fā)，剖析其在工業(yè)與服務(wù)器電源場景的應(yīng)用價值。我們已經(jīng)介紹了《碳化硅如何革新電源設(shè)計、工業(yè)與服務(wù)器電源》《三種替代Si和SiC MOSFET的方案》《SiC Cascode JFET與SiC Combo JFET深度解析》。本文將介紹利用SiC CJFET替代超結(jié)MOSFET以及開關(guān)電源應(yīng)用。
（一）利用SiC CJFET替代超結(jié)MOSFET
（1）安森美與競品對比
本表對比了安森美（onsemi）EliteSiC CJFET器件UJ4C075033K3S與某競品廠商的Si超結(jié)（SJ）MOSFET的關(guān)鍵特性。其中，UJ4C075033K3S在25℃下的額定值為750V，33mΩ；而競品Si SJ MOSFET在25℃下的額定值為650V，29mΩ。在此對比中，該CJFET的反向恢復(fù)電荷QRR降低至1/60，柵極電荷QG降低至1/6，反向傳輸電容COSS(tr)降低至1/10。
（2）最大限度降低反向傳輸電容
SiC CJFET與Si SJ MOSFET之間最顯著的差異在于電容特性與裸片尺寸。在安森美UJ4C075044B7S CJFET與某競品Si SJ MOSFET的對比中，盡管CJFET的阻斷電壓VBRDSS高出100V，且兩者的導(dǎo)通電阻RDS（on）額定值相近，但SJ MOSFET的反向傳輸電容COSS（tr）卻高出13倍以上。這一差異源于SJ MOSFET在低壓范圍內(nèi)表現(xiàn)出的非線性特性，如下圖所示。CJFET的電壓轉(zhuǎn)換時間遠(yuǎn)短于SJ MOSFET。在采用半橋整流拓?fù)洌ǘ侨珮颍┑碾娫聪到y(tǒng)中，CJFET能始終實現(xiàn)顯著更快的開關(guān)速度。
（3）降低導(dǎo)通損耗，縮短死區(qū)時間
在用SiC CJFET替代Si SJ MOSFET時，安森美建議通過調(diào)整死區(qū)時間（dead time）或在CJFET上增加緩沖電容，以有效管理因死區(qū)引起的導(dǎo)通損耗。尤其在較高開關(guān)頻率下，死區(qū)時間帶來的影響會變得更加顯著。
對于CJFET而言，從檢測到電流反向到JFET溝道完全導(dǎo)通通常存在延遲。舉例來說：若死區(qū)時間為100ns，而開關(guān)頻率為100kHz，則開關(guān)周期為10μs，此時死區(qū)僅占周期的1%，該延遲影響相對較小。然而，若開關(guān)頻率提升至1MHz，開關(guān)周期將縮短至1μs，死區(qū)時間便占整個周期的10%，其影響不可忽視。
在相同死區(qū)時間下，相較于Si SJ MOSFET，SiC CJFET的漏源電壓VDS放電速度更快，導(dǎo)致其體二極管在剩余死區(qū)時間內(nèi)持續(xù)導(dǎo)通。假設(shè)CJFET剩余死區(qū)時間TDT（CJFET）為0.2μs，體二極管正向壓降VFD為1.2V，開關(guān)頻率FSW為100kHz，開關(guān)電流IC為10A，則全橋拓?fù)渲杏墒Ｓ嗨绤^(qū)引起的功率損耗PDT可通過以下公式計算：
在此案例中，計算得出的損耗為0.96W。然而，通過對柵極應(yīng)用Adaptive Gate Control，在死區(qū)時間內(nèi)提前提升VG2，讓VDS（CJFET）降至0V的瞬間開通。即可使該部分損耗趨近于零。這一效果可通過觀測VDS與VGS的輸出波形加以驗證。
死區(qū)時間越長，體二極管導(dǎo)通損耗的持續(xù)時間也越長。通過縮短CJFET的死區(qū)時間，或為其增加緩沖電容以匹配Si SJ MOSFET的COSS，可有效改善此問題。
（4）消除反向恢復(fù)失效風(fēng)險
在對比SiC CJFET與Si SJ MOSFET時，當(dāng)兩者具有相同的電流變化率（Δi/Δt）并在相同的結(jié)溫（TJ=25℃）下工作，安森美UJ4C075033K3S CJFET的反向恢復(fù)電荷（QRR）最多可比后者低60倍。更小的反向恢復(fù)電荷意味著更高效率、更低噪聲與更優(yōu)的電磁兼容性。此外，CJFET在反向恢復(fù)過程中沒有導(dǎo)致器件失效的風(fēng)險，可顯著提升系統(tǒng)整體穩(wěn)健性。
（二）開關(guān)電源應(yīng)用
（1）適用于任何電壓等級的高能效表現(xiàn)
為展示CJFET在電源快速開關(guān)需求下的性能，我們測試了四款不同的安森美CJFET器件在3.6kW圖騰柱功率因數(shù)校正（TPPFC）硬開關(guān)拓?fù)渲械男?。所有被測CJFET在半負(fù)載條件下均實現(xiàn)了超過99%的峰值效率。
（2）同步整流（SR）技術(shù)
同步整流的實現(xiàn)，首先在于用可控的場效應(yīng)晶體管（FET）替代諧振型電源轉(zhuǎn)換器中通常在初級側(cè)（有時也在次級側(cè)）使用的二極管。由于這些FET的開關(guān)時序可以更直接地控制，轉(zhuǎn)換器輸出的直流波形能夠更準(zhǔn)確地匹配負(fù)載所需的電壓和頻率。
全橋移相有源橋零電壓轉(zhuǎn)換拓?fù)?/p>
以這種在AC-DC應(yīng)用中日益普及的電路拓?fù)錇槔核型ǔＪ褂枚O管的開關(guān)位置均被場效應(yīng)晶體管替代。“ZVT”代表零電壓轉(zhuǎn)換，該技術(shù)巧妙利用了主變壓器的漏電感與開關(guān)的輸出電容——這些通常被視為寄生元件的特性——并將其轉(zhuǎn)化為優(yōu)勢。
例如，在標(biāo)準(zhǔn)全橋拓?fù)渲兄糜诔跫墏?cè)外部的漏電感，現(xiàn)在可集成至內(nèi)部。它在實現(xiàn)相同功能的同時，大幅縮減了占用空間。
通過有源橋移相控制，脈寬調(diào)制（PWM）可轉(zhuǎn)換為固定開關(guān)頻率的工作模式，這使控制實現(xiàn)更為簡便，同時降低了開關(guān)對擊穿電壓的耐壓要求。電磁干擾頻譜也更為集中，使系統(tǒng)在整個寬輸出電壓范圍內(nèi)均能實現(xiàn)穩(wěn)定且高效率的運行。
（3）零電壓開關(guān)（ZVS）
從電氣工程師的角度來看，全橋功率轉(zhuǎn)換過程的一大優(yōu)勢在于它能夠?qū)崿F(xiàn)軟開關(guān)。嚴(yán)格來說，ZVS并非一種刻意設(shè)計的技術(shù)手段，而更像是一種可被巧妙利用的物理現(xiàn)象。它通過功率轉(zhuǎn)換器的諧振網(wǎng)絡(luò)（或稱“諧振腔”）得以實現(xiàn)。
典型的零電壓開關(guān)會利用電容和電感構(gòu)成一個諧振電路（即“諧振腔”）。而在實際應(yīng)用中，常以變壓器固有的勵磁電流作為便捷的替代?？梢园堰@個勵磁電流看作一種振蕩信號，它能夠在PFC電路中MOSFET（或CJFET）兩端電壓為零（或極低）時，將器件導(dǎo)通。
波形整形的核心思想是：在輸入電壓處于波峰或波谷時導(dǎo)通或關(guān)斷輸出開關(guān)，而諧振所產(chǎn)生的自然振蕩，恰好為這種基于電感特性的開關(guān)動作提供了理想時序。
該電流被有意設(shè)置為相位滯后于諧振網(wǎng)絡(luò)的電壓，正是這種滯后引發(fā)了諧振，從而觸發(fā)場效應(yīng)晶體管導(dǎo)通（并促使其他開關(guān)按序關(guān)斷）。在此過程中，開關(guān)損耗得以有效避免，EMI噪聲也顯著降低。
（4）高頻電源的五個轉(zhuǎn)換級
這是前文介紹的圖騰柱PFC完整電路圖。這種全“無橋式”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包含五個功率轉(zhuǎn)換級。最左側(cè)為硬開關(guān)，其余四個均采用軟開關(guān)技術(shù)。從左至右，每個同步整流轉(zhuǎn)換級的電路結(jié)構(gòu)逐級簡化。
對于“快速橋臂”（即硬開關(guān)），圖騰柱PFC需搭配RC緩沖器使用CJFET。若PCB布局空間受限無法容納此元件，則SiC MOSFET可能成為唯一選擇。否則，若考慮CJFET配合RC緩沖電路所能實現(xiàn)的性能特性，CJFET將是更優(yōu)方案。
對于“慢速橋臂”（即同步整流器件），其核心要求是具備低導(dǎo)通電阻RDS（on），因此CJFET是最佳選擇。
對于位于中間的初級LLC轉(zhuǎn)換級（因其緊鄰兩個電感L和一個電容C而得名），導(dǎo)通損耗是主要損耗因素。在高開關(guān)頻率下，關(guān)斷開關(guān)損耗是另一個關(guān)鍵參數(shù)，因為LLC作為一種零電壓開關(guān)（ZVS）拓?fù)洌淮嬖趯?dǎo)通損耗。CJFET在配置緩沖器后已展現(xiàn)出極低的關(guān)斷能量損耗Eoff，因此是初級LLC轉(zhuǎn)換級的最佳選擇。
隨后的次級LLC轉(zhuǎn)換級以及最右側(cè)的O-Ring級可用于400V輸出電壓的設(shè)計中。對于此類高壓應(yīng)用，低導(dǎo)通電阻RDS（on）和低輸出電容COSS至關(guān)重要，這使得CJFET在整個次級側(cè)相比SiC MOSFET或Si SJ MOSFET更具優(yōu)勢。
