在OBC-PFC拓扑结构中SiC MOSFET有哪些优势

根据Yole的预测，到2024年，碳化硅功率半导体市场规模将增长至20亿美元，2018-2024年期间的复合年增长率将高达29%。其中，汽车市场无疑是最重要的驱动因素，预计2024年，碳化硅功率半导体市场中的汽车市场份额将达到50%以上。

博世碳化硅产品于2019正式推向市场。产品包括SiC芯片裸片，主要应用于电驱动的功率模块；还包括SiC MOSFET分立器件，面向车载充电器OBC与DC-DC转换模块，分立器件有TO247-3/4、TO263-7（D2-PAK-7）两种封装方式。

博世SiC MOSFET 在OBC的应用中可支持100KHz以上的开关频率，功率输出范围3.3kW至22kW。

目前，电动汽车车载充电器电路一般采用AC/DC PFC和DC/DC 变换器相结合的结构。交流电输入后经过二极管整流，通过功率因数校正（Power Factor Correction，PFC）电路得到直流母线电压，最后通过DC/DC变换到满足电池充电要求的输出电压与电流。本文将结合PFC电路的拓扑结构，介绍在设计中使用博世SiC MOSFET的优势。

PFC的设计首先需要满足很高的功率因数（PF），如果整个OBC的效率要达到96%要求，那么PFC的效率至少要在98%以上；其次需要最大限度地减少电流失真对电网的影响。

在传统的BOOST 有桥PFC中，交流输入电压经过全波整流，然后经由电感L、开关管S和快速二极管D组成的BOOST电路，从而输出恒定的直流电压。通过对开关管S的SPWM调制，可以将电感L上的电流控制为正弦波，并跟踪输入电压相位，从而实现功率因数的校正。不足的是，传统BOOST 有桥PFC电路，工作在正负半周的主电流都经过2个整流二极管，使得电路的通态损耗较高，约占输入功率的1.5-2%。

为了提高效率，无桥PFC拓扑结构的应用越来越多：通过移除全波整流电路，来减少相关器件的损耗。双BOOST无桥PFC拓扑结构如图4所示，采用了两套独立的BOOST电路，主电流在正负半周只流过一个整流二极管D3或D4，减少了传导损耗，提高了效率。但也由此带来了器件数量多、电感利用率低的问题。

现阶段比较流行的是采用图腾柱BOOST无桥PFC的拓扑结构（见图5）。通过表1的比较可以发现，图腾柱PFC移除了快恢复二极管，是BOOST 无桥PFC拓扑中最简单的，也是效率最高的一种结构。在此结构中，由于两个开关管的体二极管代替了传统的PFC中的快恢复二极管，作为续流二极管。而一般的Si MOSFET以及超级结型MOSFET反向恢复特性都不太理想，其较高的反向恢复电荷Qrr会导致过大的恢复损耗。所以，不适合在电流连续模式（CCM）下使用，只适合工作在断续模式（DCM）或者临界模式（CRM），即中小功率的场合，限制了图腾柱BOOST无桥PFC的应用范围。

目前，宽禁带半导体（尤其是SiC MOSFET）的发展解决了体二极管反向恢复问题。如图6所示，SiC MOSFET 与Si 以及超级结MOSFET相比具有更小的Qrr参数，即反向恢复电流与恢复损耗小。博世推出的1200V和750V两个电压等级的SiC MOSFET系列产品（见表2），具备了良好的反向恢复特性。支持图腾柱BOOST无桥PFC工作在连续模式下，满足高效率的同时也为大功率OBC的设计提供了一种器件选择。

表2 Bosch SiC MOSFET 产品系列

博世拥有超过50年的汽车半导体经验以及覆盖全价值链的研发和供应商体系，同时拥有汽车标准级的硅晶圆工厂和对于汽车客户的快速响应能力。博世涉足车规级碳化硅领域，将持续推动技术创新，不断提升产品性能。未来，博世的碳化硅产品无疑会引领电动车和混合动力汽车的控制系统，即功率电子器件的发展。

责任编辑：haq