SiC评估板好不好看了就知道

近几年，在电力电子领域，以SiC和GaN为代表的宽禁带半导体很热。各大科技媒体争相报道它们有这样那样的好处，例如SiC耐高电压和高温；GaN的开关频率很快，可以缩小变压器尺寸，从而实现小体积。同时，它们还有一个很大的特点，就是高效率——可以轻松满足业界所提出的最新能效要求。

前不久，EDN从英飞凌打听到他们家新推出了一款SiC评估板。于是不假思索地向他们提出，能不能拿块过来做个评测，看看效率是否有声称的那么好。英飞凌很爽快地答应了这个请求；一周后EDN就顺利地拿到了板子（如下），在此首先表示感谢！  

然而，当拿到评估板，根据产品名称“3300W CCM bi-directional totem pole PFC”查询到应用笔记后，EDN傻了眼，这块板子评测起来至少需要用到交流电源、直流电子负载、功率分析仪/万用表、示波器和热像仪等五种仪器。不得已，只好再次联系英飞凌，看他们深圳办公室的实验室是否能够能向EDN开放。   该公司在了解到我们的需求后，表示这些东西他们家应有尽有，于是又一次答应了我们的请求，并且还很贴心地给我们配备了一名技术专家——宋清亮（Owen），来协助我们完成评测，在此再次表示感谢！   在敲定好拜访时间后，EDN拿着板子来到了英飞凌在深圳的办公室。以下是评测视频。

1SiC评估板里的主要子电路和元器件

首先来看一下这款评估板里所包含的主要子电路和关键元器件。  

电路板布局包括：右上角是EMI滤波电路，它包含几颗共模电感、安规电容（X和Y）、NTC热敏电阻，以及交流电输入接线端子、保险丝和继电器。左上角的两块子电路板分别是偏置板（辅助电源）和控制板：偏置板是一块准谐振反激式开关电源，用来为风扇、MOS管栅极驱动和控制电路供电；控制板则用来实现电压、电流和极性检测，以及确保无桥图腾柱拓扑能够正确工作。

剩余的部分就是无桥图腾柱本身了。它包括PFC扼流圈、大电解电容，以及贴在散热器两边的分别两颗SiC和Si MOS管。   宋清亮告诉EDN，前两天他也正好拿到相同的板子，对它进行了测试。他补充说，这个电路板是一级PFC，效率达99%。由于采用了SiC MOSFET作为功率开关，因此使用了电流连续模式（CCM）图腾柱无桥PFC拓扑。这里需要说明的是：由于CCM图腾柱拓扑在每个开关周期内续流管的体二极管都要经历硬换流（二极管在导通过程中由于被突然施加反压而强制关断），因此传统硅MOSFET是无法可靠应用于该拓扑的。   由于只有一级PFC电路，因此我们主要可以测的指标有效率、功率因数和发热。

2各负载点下的效率

首先来看效率——这块板子的满载输出功率为3.3kW，半载时可达最大效率。这里可以用功率分析仪或万用表来测，为了方便，我们选用功率分析仪来测。我们从0.5A输出电流（0.2kW输出功率）开始成倍数地增加负载（详细测试请见视频）。  

7.5A（3kW）时的效率   随后，宋清亮把测试过的效率数据分享给了EDN，如下图所示。两条曲线的数据分别来自功率分析仪和万用表。他告诉EDN，测试仪器有一定误差，这里万用表的精度比功率分析仪要高，所以曲线偏上。由此可见，在半载情况下，这块电路板确实能够达到99%以上的效率。  

3功率因数

下面来用示波器测功率因数（详细测试过程请见视频）。顺便提一下，由于采用图腾柱无桥PFC拓扑，电流可以双向流动，因此有整流器（PFC）和逆变器两种工作模式选择（双向），这也是图腾柱拓扑所固有的特性。   在电流值比较小时，电流和电压的相位关系还算不错，但电流波形不太漂亮。随着负载加大，电流的正弦性得到改善，功率因数也就得到提高。  

4 发 热 

最后再来看发热情况。我们把风扇去掉，让板子在满载情况下持续工作，大约20分钟后，温度达到最大值。  

宋清亮告诉EDN，相比Si和GaN来说，SiC耐高温性能更好，其Rds(on)随温度变化更小，因此在发热测试中所受到的效率损失很小。   SiC的频率确实做不到GaN那么高，因此没有体积上的优势。但是，它的特性（易用性）最像IGBT，并且不存在IGBT那样的拖尾电流现象。同时，SiC MOSFET由于开启门限电压较高（~4V），并且在关断过程中由于漏极电压变化引起的dv/dt 在栅极上所引起的感应电压很低，因此采用SiC MOSFET不需要采用负压关断，也就不需要在变压器上多绕一个线圈来提供负压，可以节省成本，这是工程师最喜欢的。此外，IGBT达不到这么高的效率，这就是SiC的优势。

另外，他补充道，实际应用的电路板也不一定要做到这么大。比如，这里有四颗电解电容，是为了满足掉电保持时间的要求而设置的——如果没有这方面要求，只要用到两颗就够了。

又比如，通常来说，PFC电路是AC/DC电源的第一级，其后往往还有一级隔离的DC-DC电源，因此在实际产品中，PFC的输出是不需要有共模电感的。这块评估板为了测试EMI的性能，在输出增加了共模电感，这就增加了尺寸和降低了效率（共模电感也有功耗）。

总之，对于AC/DC电源，如果采用CCM图腾柱拓扑和SiC MOSFET，其PFC级可以实现比评估板还要高的效率和功率密度。      
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