碳化硅 (SiC) 功率器件已长期广泛用于各种应用，包括服务器电源、能量存储系统和太阳能电池板逆变器。最近汽车行业转向电力驱动的趋势助长了 SiC 的使用，同时使设计工程师更加关注该技术在更广泛的应用领域中的优势。
选择设备技术
无论何种应用，每种电源设计首先都需要回答同样的基本问题：电压输入、电压输出和电流输出是什么？接下来，设计人员考虑试图在最终产品中达到的性能标准。如今，电源设计人员可以使用多种技术来满足这些标准，包括氮化镓 (GaN)、SiC 和各种硅 (Si) 基技术，如 MOSFET、绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 和超结 (SJ) 设备（图 1）。
图 1：这些技术都有各自的优势和最适合的应用领域。
击穿电压额定低于 400 V 且设计需要以低于一千瓦的功率在较低频率工作时，硅通常是一个不错的选择。在构建紧凑型应用（如 USB 充电器）时，需要高开关频率来缩小磁性元件的尺寸，GaN 是一个绝佳的选择。在功率级别超过一千瓦且电压额定在低频下高于 600 V 并高达约 1700 V 时，可以考虑 IGBT 与 SiC 结合使用。但开关频率或功率密度较高时，SiC 是最好的选择。
选择中心
在图 1 中，适中的高电压和开关频率标志着许多选择的中心。但 SiC 提供的高效率成为了一个引人注目的选择，因为材料成本和运营成本之间的权衡可能会是一个决定性的因素。
Wolfspeed 的 SiC 器件具有极低的导通电阻，这意味着较低的传导损耗和更高的效率。在这方面与硅和 GaN 相比（图 2），SiC 在各种应用中的表现均优于其他技术。这种材料本身的特性使导通电阻随温度变化的幅度很小，而与室温下的额定值相比，GaN 和硅的导通电阻至少增加了 2.5 倍。
图 2：Wolfspeed 的 SiC 器件在较宽的温度范围内始终保持较低的导通电阻。
实现 PFC 转变
图 3：全桥整流器从无 PFC 的简单形式到基本无桥 PFC 的转变
在当今的大多数开关电源中，升压转换器在二极管桥之后用作有源 PFC，其开关频率比线路频率高几个数量级，因此可以使用更小的电感器和电容器。视应用而定，在有源 PFC 阶段使用 SiC 二极管代替硅基二极管可以将效率提高 2-3 个百分点。
另一方面，将开关频率从 80 kHz 增加到 200 kHz 可以减小体积或将功率密度提高多达 60％。通常，提高开关频率有助于缩小电感器的尺寸，从而也减小电感器的铜损。
但当从 200 kHz 增加到 400 kHz 时，可以看到铜耗趋于平稳，而电感器铁芯损耗却继续增加。结果是收益递减，其中尺寸减小 10％ 至 15％，同时功耗增加 10％ 至 15％。对于缩小尺寸至关重要的应用来说，这种折衷方案可能可以接受。
为了使效率达到 90% 以上，必须去除二极管电桥，重新调整电路。在实现升压的过程中做到这一点的一种方法是将电感器移至交流输入，并使用两个 MOSFET 替换电桥底部的两个二极管。左边的开关在正半周期使电压升高，而右边的开关在负半周期使电压升高。
基本无桥电路的挑战在于，高频开关节点直接连接到交流输入，并且直流接地相对于交流输入是浮动的。这可能导致任何寄生电容直接进入共模 EMI。解决此问题的常用方法是使用双升压或半无桥实现（图 4，左）。
在这种拓扑结构中，左下方的两个二极管消除了浮地问题，而电感器的分离避免将开关节点与交流电源直接连接，以解决共模 EMI 问题。虽然可以使用硅 MOSFET，但其效率最高为 95％ - 96％，体积较大，需要两个电感器，总材料成本可能较高。
图 4：双升压半无桥解决方案（左）与 SiC 实现的全桥向图腾柱拓扑的转变（右）对比
图腾柱拓扑
双升压半无桥配置的替代选择是图腾柱拓扑，其名字来源于晶体管堆叠的方式（图 4，上）。如图所示，图腾柱可以构建为全桥版，也可以使用二极管替换右侧低频分支中的 MOSFET，构建为无桥版。
图腾柱拓扑的一大挑战是转换器在连续导通模式 (CCM) 下工作时 MOSFET 体二极管的反向恢复电荷。从低端开关到高端开关的过渡期间，两个 FET 不能同时开启，并且体二极管必须在该死区时间内导通。硅的反向恢复特性消除了效率（图 5）。
图 5：SiC 与 Si 体二极管反向恢复比较
在所有硬开关电源设计中，当体二极管必须导通时，会产生反向恢复损耗。使用没有少数载流子的 SiC，反向恢复电流几乎为零。另一方面，硅 MOSFET 的损耗要高几个数量级。这就是硅无法用于图腾柱的原因。
在电压 <50 v="" 和功率=""><50 w="" 时要求千兆赫兹开关速度的射频功率应用中，碳化硅基氮化镓是首选技术。电压较高时，gan="">
全桥或混合图腾柱？
完全同步的图腾柱是最有效的实现方法。虽然可以在低频分支中使用硅 MOSFET，但只有四路 SiC MOSFET 实现支持双向性 — 例如，需要在复杂性和材料成本之间进行权衡的连接智能电网的应用。
图 6：一个“混合”图腾柱 PFC 功率级
包括服务器电源在内的大多数成本敏感型应用都使用无桥或“混合”图腾柱拓扑，在低频分支上使用成本低廉的 PIN 二极管（图 6）。其优势在于使用的组件最少，并且通过引入 650-V 级的 Wolfspeed C3M SiC MOSFET，成为一种经济高效的实现方法，与全桥相比，轻载效率降低了不到 0.5％。
Wolfspeed 的 CRD-02AD065N 2.2-kW 参考设计已证明这一点，该参考设计可作为软件包下载，包括材料清单、原理图、电路板布局、演示和应用指南。它使用新型 650-V 60-mΩ MOSFET，以 >98.5% 的效率和低 THD 达到了行业标准 80+ 钛金。
这种基于 SiC 的图腾柱设计在所有负载条件下都大大超过了 80+ 钛金的要求，从而使工程师可以放宽直流-直流转换器部分的设计约束。
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