【应用】瞻芯电子2.5kW碳化硅图腾柱PFC参考设计，效率可达98.7%
图腾柱PFC是一种高效率的无桥功率因数修整电路，主要用于白金级的AC/DC交直流变换器设计。图1-1所展示的是无桥PFC主电路图。这个电路的Q1和Q2是高速SiC（碳化硅）MOSFET管，Q3和Q4是Si MOSFET交流线频率整流同步管。这一参考设计的额定功率为2500W，使用瞻芯电子生产的650V/60mΩ SiC MOSFET产品IV1Q06060T3，以及专用碳化硅MOSFET驱动IC IVCR1401用于高速桥臂，交流线频率同步整流臂用的是Si MOSFET STY105NM50N。实物图如图1-2所示。
图腾柱全桥PFC
图腾极全桥PFC是一种AC-DC的拓扑结构。本设计的PFC是工作在连续模式（CCM）。高速桥臂的SiC MOSFET工作频率在65kHZ。由于碳化硅MOSFET有极小的输出电容和接近零的反向恢复，它是硬开关电路的理想开关器件。交流线频率同步整流臂工作在工频，由于低导通电阻的SiMOSFET导通时的Vsd压降远低于高压二极管，使得整流功耗大大降低。通过这种方式，可以提高应用的整体效率。
门级驱动
SiC MOSFET的门级驱动信号是使用的是型号为IVCR1401的驱动芯片，是一款在8管脚封装集成负压驱动，并提供所有必需的保护和通信功能的碳化硅MOSFET栅极驱动芯片，具有更快的开关速度，新型碳化硅MOSFET专用栅极驱动芯片内部集成了负压电路，在无需外加负压电源的情况下，可以完成输出负压驱动提供更多的噪声裕量，使系统更稳定运行于各种复杂的应用环境，集成的过饱和/过流保护功能，响应时间仅有数百纳秒，可以更及时的保护碳化硅器件在各种干扰甚至短路情况下不损坏，同时将侦测到的错误信号向控制器汇报，新型碳化硅MOSFET栅极驱动芯片还内置了5V电源给隔离器供电，简化了配合隔离器芯片的电路设计。IVCR1401驱动电路示意图如图1-3。
辅助电源供电板卡
辅助电源模块是使用UCC28740作为反激电路的控制芯片，反激电路以直流电源作为输入，经过反激电路产生一路+5V/1A，一路+12V/1A，其中5V电压用于给控制板卡以及驱动电路进行供电，12V电压用于给风扇提供电源。实物图如图1-4所示。它自身是一款1000V/20W的參考设计，具体信息可到IVCT网站下载。
控制板卡
该板卡的插座的插脚是根据TI公司生产的DSP板卡TMDSCNCD280049C而设计的，它可插TI的DSP板卡，也可插瞻芯电子生产的Control Card F280049C或混合控制卡（使用的是SPARTAN-6系列的FPGA、MCU以及一块AD7606的AD数据采集模块所构成的）。混合控制卡如图1-5所示。也可插瞻芯电子生产的Control Card F280049C使用的是TI TMDSCNCD280049C的DSP，如图1-6所示。
硬件组成部分
基本硬件模块：如图2-1所示，第一排从左至右依次是直流电源输出，直流母线稳压电容，散热器以及主电感，第二排从左至右依次是交流电源输入，EMI输入滤波器，控制板卡以及辅助电源板卡。
启动过程
将输入连接至实验室交流电源上，输出连接至电子负载上。将实验室交流电源的电压有效值不断增大，当交流电源的电压有效值增加至85V时，图腾柱全桥PFC开始工作，输出直流电压390V，不建议在最大负载情况下直接启动并工作。
测量结果：所有的测量结果均是在温度为25摄氏度的环境下，输入230V交流电源，输出380V直流电，65kHZ的开关频率的情况下进行测量。
效率曲线
使用SiC MOSFET的图腾柱全桥PFC最佳情况下可达98.7%以上的效率，图3-1蓝色线展示了效率曲线。
功率因数曲线
使用SiC MOSFET图腾柱全桥PFC功率因数曲线如图3-2所示：
电流谐波失真曲线
使用SiCMOSFET图腾柱全桥PFC电流总谐波失真曲线如图3-3所示：
温升曲线
图腾柱全桥PFC的SiCMOSFET温升曲线如图3-4所示：
开关曲线以及电流波形：
图3-5展示了输入电压以及输入电流波形，电路工作在连续模式下。其中蓝色线条表示输入电压，紫色线条表示输入电流。图3-6展示了图腾柱全桥PFC工作在输入电压为正半周期的SiC MOSFET开关管驱动波形，其中天蓝色线条表示上桥臂SiC MOSFET驱动波形，绿色线条表示下桥臂SiC MOSFET驱动波形。图3-7展示了SiC MOSFET在正半周期开通与关断过程的展开波形。图3-8为工作在输入电压为负半周期的SiC的开关管驱动波形，图3-9描述了SiC MOSFET在负半周期开通与关断过程的展开波形。
使用三种不同的电感绕法对电路电流的影响
经过测量发现对于不同的电感绕法会对电路电流产生不同影响。A、B、C绕法如下图3-10所示，下面分别对三种不同绕法的电感进行测量，测量结果波形分别如图3-11、3-12、3-13所示。
对A绕法进行测量之后，其具体测量结果如图3-11所示，其中蓝色线条为电感电流波形，天蓝色线条为上桥臂SiC MOSFET驱动开关波形，绿色线条为下桥臂SiC MOSFET驱动开关波形。对B绕法进行测量之后，其具体测量结果如图3-12所示。对C绕法进行测量之后，其具体测量结果如图3-13所示。
测试结果可以看出，绕法A的寄生电容过大，引起较大的振荡电流，相应的EMI和MOSFET开关损耗也会增大。绕法C和B的电流振荡幅值都很小，但绕法C便于生产。综上测试，本设计最终选用绕法C。
参数说明
说明：所有测量实验均是在实验室温度为25摄氏度时进行。
输入交流电压Vin = 230Vrms
输出功率Pout = 0 W to 2500 W
开关管控制频率Fsw = 65 kHz
测试温度T= 25°C
输出电压Vout,nom = 390 V DC
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