无桥功率因数校正（PFC）拓扑演进及碳化硅（SiC）MOSFET应用研究

无桥功率因数校正（PFC）拓扑演进及碳化硅（SiC）MOSFET应用研究报告

BASiC Semiconductor基本半导体一级代理商倾佳电子（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。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，代理并力推BASiC基本半导体SiC碳化硅MOSFET单管，SiC碳化硅MOSFET功率模块，SiC模块驱动板等功率半导体器件以及新能源汽车连接器。

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1. 摘要

随着全球能效法规（如80 PLUS Titanium、欧盟ErP指令）的日益严苛以及电力电子系统对高功率密度的迫切需求，传统的AC-DC转换架构正经历着一场深刻的变革。倾佳电子杨茜对无桥功率因数校正（Bridgeless Power Factor Correction, 简称无桥PFC）技术的发展演进进行详尽的梳理与深度剖析。倾佳电子杨茜追溯了从传统有桥Boost PFC到图腾柱（Totem-Pole）无桥PFC的拓扑演化逻辑，重点分析了共模噪声（EMI）抑制与反向恢复损耗等核心技术瓶颈的突破过程。倾佳电子杨茜探讨了无桥PFC拓扑在直流（DC）微网及电动汽车（EV）双向充放电（V2G）应用中作为DC-DC升压转换器的复用性与控制策略。最后，结合基本半导体（BASiC Semiconductor）的B3M与AB3M系列SiC MOSFET产品数据，量化评估了宽禁带半导体材料在解决图腾柱PFC“硬开关”难题中的决定性价值，涵盖了低反向恢复电荷（Qrr​）、银烧结工艺及开尔文源极（Kelvin Source）封装等关键技术特征。

2. 引言：功率变换的效率瓶颈与无桥化的驱动力

2.1 功率因数校正的必要性与传统架构的局限

在现代电力电子系统中，AC-DC变换器是连接电网与电子负载的咽喉。为了减少对电网的谐波污染并提高电能利用率，有源功率因数校正（Active PFC）电路成为了开关电源（SMPS）、充电桩电源及数据中心电源的标准配置。

传统的Boost PFC拓扑长期占据主导地位。其结构由一个由四个二极管组成的整流桥和一个后级Boost DC-DC变换器构成。在这种架构中，电流在任意时刻都必须流经整流桥中的两个二极管以及Boost级的功率开关管或二极管。这意味着在电流通路上始终存在三个半导体器件的压降 。

对于高压输入（220Vac），二极管的导通损耗尚可接受；但在低压大电流输入（如85Vac，满载）工况下，整流桥的导通损耗会显著恶化。典型的硅整流二极管正向压降（VF​）约为0.8V-1.0V，两只二极管串联即产生1.6V-2.0V的压降。在千瓦级功率下，仅整流桥引入的效率损失就可达1.5%至2% 。这一物理极限使得传统有桥PFC难以企及96%以上的钛金级（Titanium）系统效率目标。

2.2 “无桥化”的理论基础与演进动因

为了突破整流桥的效率天花板，电力电子学界提出了“无桥”（Bridgeless）概念。其核心思想是消除输入侧固定的二极管整流桥，利用开关管自身的体二极管或同步整流特性来兼顾整流与升压功能，从而减少电流通路中的半导体器件数量。

无桥PFC的发展并非一蹴而就，而是经历了一系列拓扑演变，旨在平衡效率、电磁干扰（EMI）性能、元器件数量与控制复杂度。这一演进过程不仅是电路拓扑的革新，更是半导体材料技术进步的直接体现。

3. 无桥PFC拓扑架构的发展演进深度解析

无桥PFC的演进路线是一部与共模噪声（Common Mode Noise）和反向恢复（Reverse Recovery）做斗争的历史。

3.1 早期尝试：双Boost无桥PFC（Dual Boost PFC）

早期的无桥PFC方案通常被称为双Boost拓扑。其基本结构是将Boost电感分裂为两个独立的绕组（或两个分立电感），分别置于火线（L）和零线（N）上。

3.1.1 工作原理

正半周：当AC输入为正时，连接在L线的MOSFET（S1）进行高频开关动作，与L线电感（L1）和Boost二极管（D1）构成Boost电路。此时，电流的回路由连接在N线的MOSFET（S2）的体二极管提供。

负半周：当AC输入为负时，S2进行高频开关，与L2和D2构成Boost电路，电流回路由S1的体二极管提供。

3.1.2 性能与缺陷

双Boost拓扑成功将导通路径上的半导体器件从3个减少到2个，显著降低了导通损耗 。然而，该拓扑存在致命的EMI缺陷。 由于输出直流母线的地电位（DC-）相对于交流输入（AC Line）是浮动的。在开关管高频动作时，DC-对地的寄生电容上会产生剧烈的高频电压跳变（dv/dt），导致极高的共模噪声 。为了通过EMC标准，设计者不得不使用体积庞大的共模扼流圈，这往往抵消了效率提升带来的体积优势。此外，电感利用率低（每个电感仅半个周期工作）也是其弊端之一 。

3.2 过渡方案：半无桥PFC（Semi-Bridgeless PFC）

为了解决双Boost拓扑的EMI问题，业界提出了半无桥拓扑。通过在输入端增加两个低速二极管，将DC-电位在工频周期内钳位至AC输入端，从而抑制了高频共模电压的浮动 。

虽然这种方案改善了EMI性能并简化了电压采样，但它重新引入了额外的二极管，增加了元件数量和成本，且并未完全实现无桥化的高功率密度潜力。它更多被视为一种折衷的过渡方案。

3.3 终极形态：图腾柱无桥PFC（Totem-Pole PFC）

图腾柱PFC被公认为单相PFC拓扑的终极形态。其结构极其简洁：由两个桥臂构成，一个为高频开关臂（Fast Leg），一个为工频换向臂（Slow Leg）。

3.3.1 拓扑结构与工作模态

慢速臂（Slow Leg） ：通常由两个普通硅MOSFET（或二极管）组成（Q3, Q4），工作在电网频率（50/60Hz）。在AC正半周，Q4导通，将N线连接至DC-；在负半周，Q3导通，将L线连接至DC-。其作用相当于一个受控的整流器，且由于只在过零点切换，开关损耗几乎为零。

快速臂（Fast Leg） ：由两个高压开关管（Q1, Q2）组成，工作在高频（65kHz~100kHz+）。它们交替进行Boost升压操作。

工作机制：在正半周，Q2作为主开关管进行PWM调制，Q1作为同步整流管（或Boost二极管）；在负半周，角色互换，Q1为主开关，Q2为同步整流。

3.3.2 硅基时代的“阿喀琉斯之踵”

尽管图腾柱PFC在理论上拥有最少的器件数（仅4个开关，无整流桥）和最高的效率潜力，但在硅基半导体时代，它长期无法投入实际应用，特别是在连续导通模式（CCM）下 。

反向恢复问题：在CCM模式下，当主开关管（例如Q2）开通瞬间，续流管（Q1）的体二极管正处于导通状态。由于硅MOSFET（即使是超结SuperJunction MOSFET）的体二极管存在显著的反向恢复电荷（Qrr​），在强制关断时会产生巨大的反向恢复电流（Irrm​）。这不仅会导致极高的开通损耗（Eon​），甚至可能直接导致桥臂直通炸机 。

妥协：为了使用硅器件，设计者只能选择临界导通模式（CrM/TCM），利用零电流开关（ZCS）来避免反向恢复。但这限制了功率等级（通常<300W），且变频控制复杂，纹波电流大，难以应用于大功率OBC或服务器电源。

3.4 交错并联图腾柱（Interleaved Totem-Pole）

对于大功率应用（如6.6kW或11kW OBC），单相图腾柱的纹波电流过大。交错并联技术通过并联两个或多个相位互差180度的高频桥臂，在输入端实现纹波电流的抵消，从而减小输入滤波器的体积并分散热应力 。

4. 无桥PFC作为DC-DC升压转换器的应用深度研究

本章将从拓扑等效性、双向能量流动及V2G应用三个维度进行深入论证。

4.1 拓扑的本质等效性

从电路拓扑学的角度分析，无桥PFC（特别是图腾柱架构）在本质上就是一个双向DC-DC转换器。

Boost结构：图腾柱的高频臂实际上是一个半桥结构。当输入源为DC时（例如电池），该结构完全等同于一个同步Boost转换器 。

控制视角的差异：PFC与DC-DC Boost的区别仅在于控制策略。PFC的控制目标是让电感电流跟随正弦波形的AC输入电压；而DC-DC Boost的控制目标是维持电感电流或输出电压为恒定直流值。

硬件复用：在物理硬件上，两者的功率级（电感、开关管、电容）是完全通用的。这意味着同一套电路既可以做AC-DC PFC，也可以做DC-DC Boost。

4.2 双向操作与V2G（Vehicle-to-Grid）应用

在电动汽车车载充电机（OBC）应用中，无桥图腾柱PFC是实现双向充放电的关键架构。

4.2.1 G2V模式（Grid-to-Vehicle，整流/升压）

在此模式下，电路作为AC-DC PFC运行。电网交流电经过慢速臂整流，快速臂进行Boost升压，将电压提升至400V或800V直流母线电压，为后级隔离DC-DC供电以给电池充电 。

4.2.2 V2G模式（Vehicle-to-Grid，逆变/降压）

在此模式下，能量从电池流向电网。此时，电路工作在逆变模式。

DC侧看：高压直流母线是输入源。

动作：高频臂进行PWM开关，将直流电压“斩波”成正弦脉宽调制波（SPWM）。

AC侧看：电感作为滤波元件，向电网注入正弦电流。

等效性：虽然系统层面是逆变（DC-AC），但在每个开关周期内，高频臂实际上是在执行Buck（降压）操作（当电流流向电网时，电压从高压母线降至瞬时网压）。

4.2.3 纯DC-DC升压应用

无桥PFC电路完全可以用作纯DC-DC升压转换器。例如，在光伏储能系统中，或在电动汽车内部作为升压模块。

工作机制：若输入连接直流源（如400V电池），慢速臂的开关管根据输入极性固定导通（例如Q4常通，Q3常断），此时电路退化为一个标准的同步Boost转换器。高频臂的下管（Q2）作为主开关控制占空比，上管（Q1）作为同步整流管 。

优势：相比于传统Boost，由于采用了同步整流（SiC MOSFET），其效率远高于使用二极管续流的非同步Boost。且交错并联的图腾柱结构可以提供极低的电流纹波和大功率处理能力（>10kW） 。

4.3 限制与挑战

将PFC复用为DC-DC升压转换器时需注意热设计。在AC-DC模式下，功率器件的热负荷随正弦波变化；而在纯DC模式下，热负荷是持续恒定的，且集中在特定的器件上（取决于DC输入极性），可能导致某些器件过热，需要针对最恶劣工况进行热设计 。

5. SiC MOSFET在无桥PFC中的应用价值深度剖析

无桥图腾柱PFC从理论走向工业标准，完全得益于宽禁带（WBG）材料，尤其是碳化硅（SiC）MOSFET的商业化成熟。本章将结合**基本半导体（BASiC Semiconductor）**的具体产品参数，量化分析SiC的应用价值。

5.1 彻底解决体二极管反向恢复问题

这是SiC MOSFET在图腾柱PFC中不可替代的核心价值。

物理机制：硅（Si）MOSFET的体二极管是PN结结构，关断时需要抽取大量的少子（少数载流子），导致巨大的反向恢复电荷（Qrr​）。而SiC MOSFET虽然也有体二极管，但由于SiC材料的特性，其少子寿命极短，且多数现代SiC MOSFET（如基本半导体的第三代技术）通过结构优化或集成肖特基二极管（SBD），使其反向恢复行为接近理想二极管。

数据对比：典型的650V硅超结MOSFET的Qrr​可能高达几千nC，而同规格的SiC MOSFET（如基本半导体B3M025065L）的Qrr​通常在几十nC量级，降低了90%以上 。

系统影响：Qrr​的消除使得图腾柱PFC可以在CCM模式下高效运行，无需复杂的软开关（ZVS）控制，直接简化了控制算法并提升了系统鲁棒性 。

5.2 极低的导通电阻与高温稳定性

SiC材料的高临界击穿场强允许在相同耐压下使用更薄、掺杂浓度更高的漂移层，从而显著降低比导通电阻。

产品分析：参考基本半导体B3M010C075Z数据手册 。

规格：750V耐压，导通电阻仅10mΩ。

价值：在处理大电流（如240A @ 25°C）时，极低的RDS(on)​意味着极低的导通损耗（I2R）。相比于传统40-60mΩ的硅器件，损耗降低了75%以上。

温度系数：SiC的电阻随温度上升的幅度远小于硅。B3M010C075Z在175°C结温下的电阻仅为12.5mΩ ，这种高温稳定性对于电动汽车等恶劣环境至关重要。

5.3 高频开关能力与功率密度提升

SiC MOSFET极低的开关损耗（Eon​,Eoff​）允许系统工作在更高的开关频率（65kHz - 200kHz+）。

磁性元件小型化：频率的提升直接减小了Boost电感的体积和重量。对于OBC应用，这意味着更高的功率密度（kW/L）。

数据支撑：基本半导体AB3M025065CQ（650V, 25mΩ）的数据手册明确指出其优势在于“实现更高的开关频率”和“增加功率密度” 。其低输入电容（Ciss​）和低栅极电荷（Qg​）降低了驱动损耗，使得高频驱动成为可能 。

5.4 1200V器件在800V系统中的战略地位

随着电动汽车向800V高压平台演进，PFC级需要承受更高的电压应力。

硅的局限：650V硅MOSFET无法直接用于800V系统，必须采用复杂的三电平拓扑（如Vienna整流器）或串联结构。

SiC的优势：基本半导体推出的B3M011C120Z（1200V, 11mΩ） 允许在800V系统中继续使用简单的两电平图腾柱拓扑。这极大地简化了电路设计，减少了器件数量，并提高了可靠性 。

6. 关键封装技术：释放SiC潜能的催化剂

仅仅有好的芯片是不够的，封装技术决定了SiC性能的发挥上限。通过分析基本半导体的产品文档，我们可以看到几项关键封装技术的应用。

6.1 开尔文源极（Kelvin Source）连接

在高频开关过程中，源极引脚上的寄生电感（Ls​）会产生感应电压（V=Ls​⋅di/dt），这个电压会抵消栅极驱动电压，减缓开关速度并增加损耗。

技术应用：基本半导体的B3M011C120Z（TO-247-4封装） 和B3M025065L（TOLL封装） 均采用了开尔文源极设计（独立的Pin 3或Pin 2）。

价值：将驱动回路与功率回路解耦，消除了源极电感对开关速度的负反馈，从而显著降低了开关损耗（尤其是Eon​），并防止了误导通 。

6.2 银烧结（Silver Sintering）工艺

为了应对SiC的高工作温度和高功率密度，传统的焊料芯片贴装已成为热阻瓶颈。

技术应用：基本半导体在B3M010C075Z等高性能器件中明确标注采用了“银烧结工艺”（Silver Sintering applied）。

价值：银烧结层的热导率远高于锡铅焊料，显著降低了结到壳的热阻（Rth(j−c)​降低至0.20 K/W ）。这使得芯片产生的热量能更快导出，提升了器件的电流处理能力和热循环可靠性，完全匹配车规级（AQG-324）的高可靠性要求 。

6.3 顶部散热（Top-Side Cooling）封装

在紧凑型户储及阳台光储设计中，PCB底部的散热空间往往受限。

技术应用：基本半导体的AB3M025065CQ采用了QDPAK封装 ，B3M040065B采用了TOLT封装 。

价值：这些封装将散热面置于器件顶部，允许散热器直接压装在器件表面，而不经过PCB。这不仅大幅降低了热阻，还优化了电气布局，实现了电热分离，是高密度户储及阳台光储的主流选择 。

7. 数据驱动的对比分析

为了直观展示SiC MOSFET在无桥PFC中的优势，下表对比了不同技术方案在关键指标上的差异。

表1：传统Boost PFC vs. 硅基图腾柱 vs. SiC图腾柱

性能指标	传统有桥 Boost PFC	硅基无桥图腾柱 (CrM)	SiC基无桥图腾柱 (CCM)
导通路径器件数	3 (2二极管 + 1开关)	2 (1慢管 + 1快管)	2 (1慢管 + 1快管)
峰值效率	~96-97%	~97-98%	>99%
功率限制	受限于整流桥散热	受限于峰值电流 (CrM)	极高 (可达22kW+)
控制复杂度	低 (模拟控制)	高 (需变频控制)	中/高 (数字控制)
器件反向恢复	不敏感 (二极管阻断)	敏感 (需ZVS/ZCS)	极低 (SiC特性)
适用场景	低成本消费电子	中功率 (<3kW)	大功率 OBC, 服务器电源

表2：基本半导体SiC MOSFET关键参数解析

型号	电压 (VDS​)	电流 (ID​ @25°C)	RDS(on)​ (Typ)	封装	关键技术特征	目标应用
B3M010C075Z	750 V	240 A	10 mΩ	TO-247-4	银烧结, 开尔文源	超充桩, 驱动器
B3M011C120Z	1200 V	223 A	11 mΩ	TO-247-4	1200V高压, 开尔文源	800V EV, 光伏
AB3M025065CQ	650 V	115 A	25 mΩ	QDPAK	顶部散热, 车规级	OBC, DCDC
B3M025065L	650 V	108 A	25 mΩ	TOLL	紧凑贴片, 低电感	服务器电源

8. 系统设计挑战与未来展望

尽管SiC图腾柱PFC具有巨大优势，但在实际工程应用中仍面临挑战：

8.1 驱动与保护

SiC MOSFET的栅极驱动需要精细设计。虽然其门槛电压（Vth​）较低，但在高速开关时容易受干扰误导通。因此，必须使用具有米勒钳位（Miller Clamp）功能的驱动器，并通常需要负压关断（如-3V至-5V）以提高抗干扰能力 。基本半导体的BTD25350系列驱动芯片正是为此设计，集成了这些保护功能。

8.2 EMI滤波器设计

虽然图腾柱PFC消除了双Boost拓扑的严重共模噪声，但在高频开关（特别是SiC的高dv/dt）下，差模和共模噪声依然存在。设计需要优化PCB布局，减小开关环路面积，并配合多级EMI滤波器 。

8.3 成本与普及

SiC器件的成本仍高于硅器件。然而，从系统层面看（System Level Cost），由于电感、电容和散热器的显著减小，以及能效提升带来的运营成本降低（OPEX），SiC方案在3kW以上的大功率应用中已具备极高的性价比 。

9. 结论

无桥PFC技术的发展是一场由效率需求驱动、由半导体材料技术实现的电力电子革命。从早期的双Boost拓扑探索，到如今SiC赋能的图腾柱架构成为主流，这一演进路径清晰地展示了技术进步的逻辑。

拓扑演进：已从理论上的“无桥”走向了工程实用的“图腾柱”，彻底打破了硅整流桥的效率桎梏。

升压应用：无桥PFC在拓扑上等效于双向DC-DC变换器，完全具备DC-DC升压能力，是实现电动汽车V2G功能和直流微网接口的关键技术。

SiC的核心价值：SiC MOSFET不仅仅是性能更好的开关，它是图腾柱PFC能够工作在CCM模式下的先决条件。基本半导体的B3M/AB3M系列产品，通过低RDS(on)​、低Qrr​以及银烧结、开尔文源极、顶部散热等先进封装技术，完美解决了传统硅基方案的热失控和开关损耗痛点，为实现99%以上效率的下一代电源系统提供了坚实的硬件基础。

在未来的电力电子版图中，随着800V高压平台的普及和对双向能量传输需求的增加，基于SiC MOSFET的无桥图腾柱架构将占据绝对的统治地