倾佳电子基于碳化硅MOSFET的图腾柱无桥PFC技术深度分析报告

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倾佳电子（Changer Tech）是一家专注于功率半导体和新能源汽车连接器的分销商。他们主要服务于中国工业电源、电力电子设备和新能源汽车产业链。倾佳电子聚焦于新能源、交通电动化和数字化转型三大方向，并提供包括IGBT、SiC MOSFET、GaN等功率半导体器件以及新能源汽车连接器。

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摘要

在追求更高能效和更紧凑功率因数校正（PFC）电源系统的时代背景下，图腾柱无桥PFC拓扑凭借其简洁高效的架构，已成为行业关注的焦点。然而，该拓扑在连续导通模式（CCM）下的稳定高效运行，长期以来受限于传统硅基（Si）MOSFET体二极管固有的严重反向恢复问题。碳化硅（SiC）MOSFET作为第三代半导体技术的代表，其近乎零反向恢复的体二极管特性，完美地解决了这一核心瓶颈，从而成为解锁图腾柱无桥PFC全部潜能的关键使能技术。本报告通过深入分析图腾柱无桥PFC的拓扑原理、核心优势及其发展趋势，并结合基本半导体（BASiC）SiC MOSFET系列产品的关键性能参数，系统论证了SiC器件在该拓扑中的决定性作用，为高功率密度电源系统的设计与优化提供了详实的理论和数据支持。

1. 引言：高效率功率因数校正的范式转移

1.1 传统PFC拓扑的固有局限性

功率因数校正（PFC）技术旨在强制交流输入电流跟随输入电压，以提高功率因数并减少电网谐波污染。传统的有桥升压PFC拓扑，由一个由四个二极管组成的整流桥后接一个单相升压PFC级构成，长期以来是主流解决方案。尽管这种架构成熟且成本可控，但其效率存在根本性瓶颈。整流桥中的四个二极管在整个交流周期内持续导通，尤其在低压输入时，每个二极管的约0.7 V正向压降累积，导致高达1.4 V的持续电压损耗，这部分传导损耗成为系统效率的主要限制因素 。随着全球能效法规的日益严苛，以及对电源功率密度不断提升的需求，传统拓扑的效率已难以满足最新的设计标准。

1.2 图腾柱无桥PFC：应运而生的新范式

为了突破传统拓扑的效率瓶颈，图腾柱无桥PFC（Totem-Pole Bridgeless PFC）拓扑应运而生。其核心设计理念在于大胆地移除了传统的整流桥，将交流输入直接施加于由四个开关管组成的“图腾柱”结构上 。这一创新性设计直接消除了传统桥式整流器所带来的传导损耗，从根本上提升了系统的转换效率。文献研究表明，图腾柱无桥PFC拓扑能够将峰值效率提升至99%以上，显著优于传统拓扑 。此外，该拓扑的器件用量更少，结构更为简洁，为实现更高的功率密度和更紧凑的电源设计提供了可能性 。

1.3 报告核心论点：碳化硅MOSFET是实现新范式的基石

尽管图腾柱无桥PFC拓扑在理论上具有显著优势，但其商业化应用长期受阻。其主要难点在于，在高效的连续导通模式（CCM）下，拓扑中高速桥臂的开关管需要频繁地进行“硬开关”换流。传统硅基（Si）MOSFET的体二极管存在严重的反向恢复问题，导致巨大的开关损耗和电磁干扰（EMI），使得CCM模式下的图腾柱PFC无法稳定高效运行 。因此，该拓扑在早期只能被迫工作在临界导通模式（CrM）或不连续导通模式（DCM），以规避体二极管的反向恢复问题。

碳化硅（SiC）MOSFET的出现，从器件层面完美解决了这一“致命弱点”。其体二极管具有近乎零的反向恢复特性，使得图腾柱无桥PFC能够在CCM模式下实现低损耗、高效率运行，从而成为该拓扑大规模商业化应用的核心使能技术。

2. 图腾柱无桥PFC的技术原理与架构深度剖析

2.1 核心拓扑结构与工作模式

图腾柱无桥PFC的基本电路结构包含一个升压电感（L），一个由两个高速开关管（S1, S2）组成的高频桥臂，以及一个由两个慢速开关管（S3, S4）组成的低频桥臂 。在实际应用中，低频桥臂的开关管通常选用导通电阻极低的慢速硅基超结MOSFET，因其仅在工频（50/60 Hz）下进行切换。而高频桥臂则必须使用具有卓越开关性能的第三代半导体器件，如SiC MOSFET，以应对高频开关任务。

图腾柱无桥PFC的运行原理是利用高频桥臂和低频桥臂的协同工作，在交流输入电压的正半周和负半周分别构建一个升压斩波电路，从而实现功率因数校正。这种架构本质上是将一个传统的升压PFC拓扑一分为二，通过高频开关管的动态切换，交替地在交流输入电压的正弦波形上实现升压功能。

2.2 交流输入正/负半周的工作原理详解

由于拓扑的对称性，其在正负半周的工作原理相似。

交流输入正半周的工作模式： 在交流输入电压为正的半个周期内，低频桥臂的开关管S4始终保持导通状态，为整个电路提供一个接地回路。同时，高频桥臂的开关管S1和S2作为主动开关，以高频（通常在数十至数百kHz）进行互补导通和关断。当S1导通时，电感L充电；当S2导通时，电感L放电，将能量传递给输出电容并维持输出电压。在此期间，S3始终保持关断状态。

交流输入负半周的工作模式： 当交流输入电压进入负半周时，低频桥臂的开关管S3始终保持导通，为电路提供一个返回回路。此时，高频桥臂的S1和S2再次作为主动开关，进行高频互补斩波操作，但其工作方式与正半周相反，由S2负责电感充电，S1负责电感放电。在此期间，S4保持关断状态。

值得注意的是，传统的硅基MOSFET由于其体二极管的反向恢复问题，在CCM模式下无法作为图腾柱PFC的高速开关。当开关管关断时，其体二极管需要从导通状态迅速恢复到截止状态，这一过程中会产生巨大的反向恢复电流和损耗，严重影响效率并产生大量的EMI噪声。这正是早期图腾柱PFC拓扑只能在临界导通模式下运行以避免这一问题的根本原因 。而SiC器件的出现，彻底消除了这一顾虑，使得CCM模式下的图腾柱PFC成为可能。

2.3 关键技术挑战的应对策略

尽管SiC器件解决了核心的开关问题，图腾柱无桥PFC在实际设计中仍面临多重挑战，需要系统级的解决方案：

零电压开关（ZVS）： 为了进一步降低高频开关损耗，实现零电压开关（ZVS）是关键。文献分析表明，在图腾柱PFC中，高频桥臂的开关管在不同占空比下可以实现ZVS 。通过精确的控制，可以在开关管两端的电压降至零时再开启，从而显著减少开关损耗，进一步提升系统效率。

系统控制与保护： 图腾柱无桥PFC对控制算法和控制器性能提出了极高的要求。由于拓扑结构中没有整流桥的阻隔，输入交流电直接加在开关管上，需要更复杂的控制方案和更快速的保护机制，如逐周期（CBC）过电流保护，以应对过流、浪涌过压等瞬态事件 。专用的数字PFC控制器（如HP1010）应运而生，它们能够提供高级的控制功能，例如，通过频率微调来优化EMI性能，并提供灵活的保护参数配置 。

电流采样： 图腾柱PFC的电感电流采样面临高压隔离和低延时两大挑战。传统的单分流电阻方案不再适用。为了实现精确的电流检测，需要采用隔离电流采样方案，包括霍尔效应传感器、隔离运算放大器（OP-AMP）和电流互感器（CT） 。每种方案各有优缺点：霍尔传感器功耗低但带宽有限，可能影响逐周期保护的响应速度；隔离运放电路复杂且易受共模电压干扰；而电流互感器则能提供高带宽和高精度，是图腾柱PFC电流采样的优选方案之一 。

3. 图腾柱无桥PFC的核心优势与应用价值

3.1 极致的效率提升

图腾柱无桥PFC最显著的优势是其无与伦比的转换效率。与传统的有桥升压PFC相比，该拓扑在整个交流输入周期内消除了整流桥带来的传导损耗，这一损耗在低压输入时尤为明显 。效率的提升不仅仅是节省电费，更带来了一系列连锁反应。高效率意味着更低的发热量，这直接导致对散热系统的需求大幅降低。根据附件中对SiC MOSFET的描述，其优势之一就是“减少散热片需求” 。当拓扑本身的高效率与SiC器件优异的热性能相结合时，系统发热量将得到有效控制，使得设计师可以减小甚至取消散热片，从而显著降低系统成本和体积。

3.2 功率密度的大幅增加

功率密度是现代电源设计的重要指标，它衡量了单位体积内所能提供的功率。图腾柱无桥PFC通过以下两个方面大幅提升了功率密度：

高开关频率： SiC MOSFET凭借其低开关损耗和低电容特性，能够在远高于传统硅基器件的频率下工作，例如在200kHz至250kHz的频率范围内实现高效率转换 。高开关频率使得PFC电路中的无源元件（如升压电感和滤波电容）可以显著减小物理尺寸，从而直接压缩整个电源模块的体积。

高效率带来的体积减小： 前述的低发热特性意味着对散热片体积的依赖降低，这也是电源体积得以减小的关键因素之一。 在实际应用中，这种优势已经得到验证。有报道指出，结合SiC器件和先进控制器，单相3kW PFC电源的功率密度可以超过40W/in³ 。

3.3 简化设计与降低系统成本

图腾柱无桥PFC拓扑相比于传统拓扑，使用的功率器件数量更少，通常仅需6个主要功率器件（4个开关管，2个旁路二极管） 。尽管其控制算法相对复杂，需要专用的数字控制器，但从系统层面考量，其在物料清单（BOM）上的简化以及高效率带来的散热系统和无源元件的小型化，能够有效抵消控制复杂度带来的成本。从长远来看，这有助于降低整体系统的总拥有成本（TCO），特别是在对效率和功率密度有严苛要求的应用中。

4. 碳化硅MOSFET：图腾柱PFC的理想使能者

碳化硅（SiC）MOSFET在电学和热学特性上的先天优势，使其成为图腾柱无桥PFC拓扑的完美搭档。

4.1 碳化硅MOSFET核心电学特性分析

基于基本半导体提供的B3M040065L、B3M040065Z和B3M010C075Z三款SiC MOSFET产品数据手册 ，可以深入分析其关键特性。

低导通电阻（RDS(on)​）： 导通电阻直接决定了器件在导通状态下的传导损耗。附件中的产品展示了极低的导通电阻，例如B3M040065Z的典型导通电阻为40 mΩ，而高功率的B3M010C075Z更是低至10 mΩ 。这一特性确保了在通过大电流时，器件发热量得到有效控制。

高阻断电压与雪崩耐用性： 这三款器件的额定漏源电压（VDS​）分别为650 V和750 V，能够轻松应对高压输入应用。其具备的雪崩耐用性（Avalanche Ruggedness）也增强了器件在异常条件下的可靠性 。

低电容与低开关损耗： 相比于硅基器件，SiC MOSFET的输入电容（Ciss​）、输出电容（Coss​）和反向传输电容（Crss​）均显著降低 。这些低电容特性是实现高开关频率和低开关损耗的基础。数据手册中列出的开通能量（

Eon​）和关断能量（Eoff​）数据也直接证明了其优异的开关性能。

优异的热性能： 散热性能是决定功率器件可靠性的关键。B3M040065Z的结到壳热阻（Rth(jc)​）典型值为0.60 K/W ，而B3M010C075Z通过采用银烧结技术，进一步将$R_{th(jc)}$降至0.20 K/W ，这使得器件能够更有效地将热量从芯片传递至散热器，从而在更高功率下稳定工作。

4.2 克服硅基器件的“致命弱点”

图腾柱PFC在CCM模式下稳定运行的核心挑战，在于传统硅基MOSFET体二极管在关断时产生的巨大反向恢复损耗和电磁干扰 。这种现象源于PN结二极管在反向恢复过程中存储的电荷（

Qrr​）。

SiC MOSFET的体二极管则具有独特的电学特性，其反向恢复电荷（Qrr​）和反向恢复时间（trr​）均极小，通常可忽略不计 。这一特性意味着，在图腾柱PFC的CCM模式下，当高频开关管关断时，其体二极管不会产生显著的反向恢复电流，从而消除了由此带来的损耗和EMI噪声。这是SiC MOSFET能让图腾柱PFC在CCM下稳定、高效工作，并最终实现商业化的根本原因。

4.3 BASiC SiC MOSFET产品选型分析

为了更直观地展示SiC器件在图腾柱PFC应用中的性能差异，下表对基本半导体的三款产品进行了关键参数对比，为设计选型提供参考。

参数B3M040065L (TOLL) B3M040065Z (TO-247-4) B3M010C075Z (TO-247-4)

额定电压 (VDS​)650V 650V 750V

导通电流 (ID​, TC​=25∘C)64A 67A 240A

典型导通电阻 (RDS(on),typ​) 40mΩ 40mΩ 10mΩ

结-壳热阻 (Rth(jc)​)0.65 K/W 0.60 K/W 0.20 K/W

总栅极电荷 (QG​)60nC 60nC 220nC

典型开通能量 (Eon​)90 μJ (with SiC diode) 95 μJ (with SiC diode) 770 μJ (with SiC diode)

封装 TOLL TO-247-4 TO-247-4

从上表可以看出，B3M040065L和B3M040065Z在650 V电压等级下提供了优异的性能，适合中等功率应用。而B3M010C075Z则凭借其极低的10 mΩ导通电阻和0.20 K/W的超低热阻，明显面向更高功率等级的应用，如大功率工业电源和电动汽车充电桩。其更高的额定电压和电流能力，以及卓越的热性能，使其能够承受更大的功率密度设计。

5. 发展趋势与未来展望

5.1 市场应用驱动与普及进程

图腾柱无桥PFC的普及是与全球对能效和功率密度的持续追求高度相关的。该拓扑已被广泛应用于以下领域：

电动汽车（EV）车载充电器（OBC）： 对高效率、小体积的需求使得图腾柱PFC成为OBC设计的首选。

数据中心与电信电源： 追求96%以上能效等级的电源系统，需要最高效的PFC拓扑。

不间断电源（UPS）： 高效率不仅可以节省运营成本，还能延长电池供电时间。

高性能计算与消费电子： USB-C充电器、游戏PC电源等领域对极致紧凑和高功率密度的需求，也推动了该拓扑的普及 。

这一趋势与全球“双碳”目标和节能环保的宏观主题高度契合。通过采用图腾柱PFC，不仅可以降低终端产品的能耗，减少运营成本，更能从源头减少碳排放，为绿色未来做出贡献 。

5.2 技术协同与集成化趋势

图腾柱无桥PFC的普及并非仅依赖于SiC器件，也得益于控制技术的同步发展。专门针对该拓扑的数字控制器正在不断涌现，它们能够提供更为复杂的控制算法，如逐周期过流保护、EMI管理和电流采样等功能，极大地简化了系统设计者的工作 。

未来，行业将进一步走向集成化。除了将控制器和功率级分开设计外，将SiC开关管和专用驱动芯片集成在同一个封装中（如半桥模块）将是重要的发展方向。这种集成化方案能够减小寄生电感，优化开关性能，并进一步提高功率密度和可靠性。

5.3 SiC与GaN的竞合关系

在宽禁带半导体领域，除了SiC，氮化镓（GaN）也是一种重要的选择。在图腾柱PFC应用中，SiC和GaN并非简单的竞争关系，而是存在差异化的应用定位。

GaN凭借其更快的开关速度，在中低功率（如1.5 kW）和超高频应用中表现出色 。而SiC则凭借其更高的电压和电流等级，在高功率、高压应用（如电动汽车、工业电源、太阳能逆变器）中更具优势 。此外，研究也表明，存在一种“改进型图腾柱”拓扑，将快速的SiC MOSFET与慢速的硅基超结MOSFET相结合，以实现性能和成本的最佳平衡 。这表明，未来的技术发展将是多样的，不同技术之间可以相互协同，以满足不同应用场景的特定需求。

6. 结论与综合推荐

图腾柱无桥PFC拓扑代表了高效、高功率密度电源设计的发展方向。它通过移除传统整流桥的结构创新，从根本上消除了桥堆传导损耗，为效率的极致提升铺平了道路。然而，其真正的大规模商业化应用，完全依赖于碳化硅（SiC）MOSFET的出现。SiC器件凭借其近乎零反向恢复的体二极管特性，完美地解决了该拓扑在高效连续导通模式（CCM）下的核心技术难题。

对于追求极致效率和功率密度的电源设计工程师而言，图腾柱无桥PFC拓扑与SiC MOSFET的结合，是目前无可争议的最佳方案。在器件选型时，应根据具体的应用场景（如功率等级、输入电压）综合考量SiC器件的各项关键参数，包括导通电阻（RDS(on)​）、额定电压（VDS​）、热阻（Rth(jc)​）和封装类型。例如，对于大功率应用，应优先选择导通电阻更低、热性能更优、封装更坚固的SiC器件，以确保系统在严苛环境下的长期稳定运行。

深圳市倾佳电子有限公司（简称“倾佳电子”）是聚焦新能源与电力电子变革的核心推动者：

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审核编辑 黄宇