什么是PFC？
功率因数校正（PFC）源于开关模式电源（SMPS）之前的时代，与电机等线性功率负载有关，因为这些负载能够为线路增加电感性负载。电机增加的影响是能够使电流与线路电压不再同相，而是滞后一定角度，这样如果再测量电压和电流RMS值，“视在”功率会比所预期的要大。这可以在数学上表示为两个线频电流，一个与线路电压同相，另一个相差90度。同相电流为负载提供“实际”功率，而移相电流代表“无功”功率，这些功率无用，只会导致电流从电源流出并返回电源。该电流导致电阻性损耗，并且在极端情况下会出现连接或熔断器故障。 “功率因数”定义为实际功率与视在功率之比。幸运的是，至少对于线性电机负载，所需的修复只是添加补偿电容器。
电动汽车电池充电器等应用中使用的开关电源（SMPS）也会使电流与电源电压不同相，但其机制与电机不同。在SMPS中，交流（AC）线路被整流，并且随后的大容量电容器在AC周期的峰值处被“充满”能量。这意味着负载是非线性的，电流仅在电源周期的一小部分以短脉冲方式获得，通常实际上扭曲了标称正弦电压波形，使其峰值“变平”（见图1）。
图1：无功率因数校正SMPS的典型线电压（上图）和电流波形（下图）。
电流波形现在与线频的同相分量，表示“实际”功率，但是相差为90度的无功部分包括由非线性负载引起的许多不同幅度的谐波。我们现在很难应用功率因数的定义，因此EN 61000-3-2等现代国际标准定义了在指定线路谐波频率下的“谐波电流辐射”限定值[1] [2]。 因此，功率因数校正仍然适用。
PFC级的演变
改善SMPS电流失真的早期方法是在大容量电容器之前串联线频电感器，但这种方法对于超过100W的应用来说非常笨重且不实用。现在最常见的解决方案是将整流线电压通过升压转换器，之后它会输出一个高于AC线路峰值的稳压DC（见图2）。线电流一直在得到检测，并且升压转换器的脉冲宽度调制迫使电流与线电压保持同相，从而减少谐波电流并改善功率因数。但所带来的一个副作用是大容量电容器需要工作在恒定的高电压下，其中的能量存储密度会更高，在线路中断后具有更长的“击穿（ride-through）”时间。
图2：基本的升压PFC电路。
虽然图2中的桥式整流器和升压转换器组合方法已经使用了多年，但它已经成为系统提高效率的限制因素，因为随后的转换器级已经提高到大约97％的效率。在实际运行中，桥电路中的两个二极管始终以大约1V的压降工作，因此，对于1 kW功率， 115 V输入的转换器，桥电路至少消耗18W的功率。这大约占效率损失约为2％，系统效率最高也只能达到95％。对于80PLUS Titanium效能标准，在高线路电压和半负载下，要求完整转换器的效率超过96％，因此桥电路已经是一个问题所在之处。
已经采用线路同步MOSFET代替桥式二极管的方案，这种方案比较昂贵，并且需要专用的自供电控制器。业界已经认识到一种更好的解决方案是将主开关也用作同步整流器，其中器件沟道被配置为仅从源极到漏极导通，这就是所谓“无桥图腾柱”配置。如图3（左）所示，通过重新排列组件能够实现这种配置。D5用类似Q1的开关代替，现在Q1和Q2用作升压开关，同步整流器通过交流电源极性而实现交换功能。在这种配置中，只有一个二极管和开关的RDS（on）形成电流串联，从而显著降低了传导损耗。
甚至可以更进一步，用同步开关代替D1和D2，以获得更高的效率。 （见图3右）。
图3：无桥图腾柱配置（左）和进一步的改进（右）。
挑战和解决方案
几个无桥图腾柱PFC技术固有的问题已经得到确定[3]，这些包括特殊的电流监测要求，可靠的交流过零检测和软启动问题。控制IC可用于解决上述问题，但是，有一个特殊的问题与使用的开关有关。Q1和Q2在都不导通时必须始终有“死区时间”，以便不会发生灾难性的“击穿”电流。在死区时间内，MOSFET的固有体二极管充当整流器Q1或Q2，传导全部输出电流。当器件在开关周期的下一阶段反向偏置时，会产生较大的“反向恢复”电流，导致能量损耗和EMI问题，从而抵消效率的提升。高压MOSFET可能具有特别差的体二极管反向恢复特性，因此，无桥图腾柱电路一般不宜在较高功率下使用。这里假定为连续导通模式（CCM）。临界和非连续模式不会强制体二极管导通，但由于涉及过高的峰值电流而不适合于高功率应用。
随着宽带隙（WBG）开关的出现，现在情况发生了变化。 SiC MOSFET具有低沟道传导损耗、较高的速度和快速体二极管。但是，二极管的正向电压可以为2.5V～ 3V，从而导致高的导通损耗。器件电容中的存储能量EOSS通常是Si-MOSFET等效值的两倍，从而产生额外的开关损耗。增强型GaN器件是SiC MOSFET的竞争技术，它们没有体二极管，但针对ON电阻（RDSA）的归一化芯片面积几乎是SiC MOSFET的两倍，并且没有雪崩或短路额定值，这使得它们在实际应用中的可靠性成为一个大问题。 SiC MOSFET和E-GaN器件也都具有临界栅极驱动电压，能够实现可靠和高效的运行。
SiC共源共栅：最好的WBG解决方案？
通过使用SiC共源共栅（级联）器件，有一种方法可以充分利用宽带隙技术的优势。SiC共源共栅是高压SiC J-FET与高性能共同封装的低压Si-MOSFET的组合。低开关损耗是与极低输入、输出和米勒电容以及低EOSS相关的特性，最终源于小晶片尺寸。SiC共源共栅的RDSA值比Si超级结MOSFET好十倍，比增强型GaN或者SiC MOSFET高2～4倍。
SiC共源共栅中的Si-MOSFET引入了一个体二极管，但是它属于低电压型，该二极管可以非常快速，因而具有低的反向恢复电流和损耗。图4比较了650V额定值的UnitedSiC UJC06505T SiC共源共栅和650V的IPP65R045C7硅超级结MOSFET的恢复特性，显示出大约60倍的回收电荷差异。
图4：反向恢复特性比较：SiC共源共栅与Si-MOSFET。
用于SiC共源共栅的栅极驱动并不是非常关键，工作电平通常为0 ～12V，绝对最大值为±25 V，器件具有雪崩额定值，短路能力，并且没有dV/dt限制......
真实世界的结果
UnitedSiC的一个演示板额定功率为1.5 kW，使用工作频率为100 kHz的UJC06505K SiC共源共栅，演示结果表明，达到了80PLUS Titanium效能目标，并具有一定的余量（见图5）。
图5：使用SiC共源共栅实现的无桥图腾柱PFC级效率。
双向电源转换
电动汽车电池充电器与其他SMPS类似，因为它们需要PFC和转换级来提供受控的电池充电。但是也需要将电力从电池返回到本地电网以用于能量平衡或家庭使用，并为用户带来相应的经济利益。无桥图腾柱PFC级在拓扑结构上实际上与H型桥式逆变器相同，因此通过适当的高频PWM驱动到以线路频率调制的开关，使DC总线成为电源，线路连接成为负载，形成反向能量流动。电池通过传统的双向隔离DC-DC转换器产生DC总线，同样，SiC共源共栅由于具有低导通和体二极管损耗，因而非常适合于这种应用。
总结
无桥图腾柱PFC级一直在等待合适的半导体技术拓扑结构的出现。作为一种牢固的解决方案，SiC共源共栅开关实现了这种拓扑结构潜在的效率阶跃提升，并具有配置为双向功率转换的巨大潜力。UnitedSiC能够提供理想适用于这些应用的多种SiC共源共栅器件。
UnitedSiC是今年由Electronics Weekly主办的Elektra Awards的决赛入围厂商。
