ZVS 丟失： ZVS 的實(shí)現(xiàn)依賴于 $L_{lk}$ 中存儲(chǔ)的能量（$E = frac{1}{2} L_{lk} I_p^2$）4。在輕載條件下，$I_p$ 非常小，導(dǎo)致存儲(chǔ)的能量不足以在死區(qū)時(shí)間內(nèi)完成對(duì) $C_{oss}$ 的充放電 。

后果： 尤其是滯后臂 (Lagging Leg)，由于其諧振轉(zhuǎn)換時(shí)可利用的能量更少，極易在輕載下丟失 ZVS 。開關(guān)管被迫從 ZVS 退化為硬開關(guān) (Hard Switching)，導(dǎo)致開關(guān)損耗激增 。

挑戰(zhàn)三：其他問(wèn)題

占空比丟失 (Duty Cycle Loss)： 較大的 $L_{lk}$ 雖然有助于實(shí)現(xiàn) ZVS，但也會(huì)減緩原邊電流的上升斜率，從而損失了有效占空比，限制了最大輸出電壓 。

副邊電壓振鈴： 副邊整流二極管的結(jié)電容與 $L_{lk}$ 諧振，仍會(huì)引起嚴(yán)重的電壓振鈴和功率損耗 。

這些挑戰(zhàn)共同導(dǎo)致了“PSFB 效率悖論”：PSFB 作為一種先進(jìn)的軟開關(guān)拓?fù)?，其目?biāo)應(yīng)用 恰恰對(duì)“輕載效率”（如 10%、20% 負(fù)載）提出了最嚴(yán)苛的要求（例如 80 Plus 鈦金標(biāo)準(zhǔn)和 M-CRPS 規(guī)范）。然而，PSFB 拓?fù)湓谳p載區(qū)間的 ZVS 機(jī)制失效和環(huán)流損耗激增 ，使其天生具有低效率特性。這種“拓?fù)涮匦浴迸c“市場(chǎng)需求”之間的尖銳矛盾，是驅(qū)動(dòng) PSFB 拓?fù)湓谶^(guò)去二十年不斷演進(jìn)的根本動(dòng)力。

第三部分：PSFB 拓?fù)涞陌l(fā)展趨勢(shì)與改進(jìn)策略

為解決第二部分中提出的“效率悖論”，一系列先進(jìn)的改進(jìn)拓?fù)浜涂刂撇呗詰?yīng)運(yùn)而生，形成了龐大的“PSFB 拓?fù)浼易濉薄?/p>

3.1 改進(jìn)路徑一：有源鉗位 (Active Clamp) 技術(shù)

此技術(shù)旨在解決滯后臂輕載 ZVS 丟失問(wèn)題 25 和抑制副邊電壓振鈴 。

拓?fù)渑c機(jī)制： 通過(guò)在原邊或副邊（通常在副邊整流橋）增加一個(gè)輔助開關(guān) ($Q_{CL}$) 和一個(gè)鉗位電容 ($C_{CL}$) 。

ZVS 擴(kuò)展： 有源鉗位電路可以在輕載時(shí)提供一個(gè)額外的輔助電流源 ，確保即使在負(fù)載電流極低的情況下，仍有足夠的能量來(lái)完成滯后臂 $C_{oss}$ 的諧振轉(zhuǎn)換，從而將 ZVS 范圍擴(kuò)展至極輕負(fù)載 。

能量回收與振鈴抑制： 該電路能主動(dòng)“鉗位”住 $L_{lk}$ 諧振引起的電壓尖峰，并將這部分能量存儲(chǔ)在 $C_{CL}$ 中，在下一個(gè)周期循環(huán)利用 15。這取代了傳統(tǒng)的 RCD 無(wú)源吸收電路，避免了能量耗散 。

系統(tǒng)優(yōu)化： 通過(guò)抑制副邊振鈴 ，允許工程師選用更低電壓等級(jí)（因此具有更低 $R_{DS(on)}$ 和 $C_{oss}$）的同步整流 (SR) MOSFET，進(jìn)一步降低導(dǎo)通損耗和驅(qū)動(dòng)損耗 。

效果： 采用有源鉗位技術(shù)的 PSFB 可實(shí)現(xiàn)全負(fù)載范圍 ZVS，并顯著提升輕載效率，有報(bào)道稱輕載效率可達(dá) 96% 以上 。

3.2 改進(jìn)路徑二：混合開關(guān) (ZVS-ZCS) 拓?fù)?/p>

此技術(shù)針對(duì)不同橋臂的開關(guān)特性進(jìn)行精細(xì)化優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)。

拓?fù)渑c機(jī)制： 通過(guò)電路重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)“超前臂 ZVS + 滯后臂 ZCS（零電流開關(guān)）”的混合軟開關(guān)模式 。超前臂的開通是硬電流換相，適合 ZVS；而滯后臂的關(guān)斷是硬電流換相，適合 ZCS。

ZCS 的優(yōu)勢(shì)： ZCS（零電流關(guān)斷）對(duì)于 Si IGBT 尤其重要，因?yàn)?IGBT 作為雙極型器件，在關(guān)斷時(shí)存在“拖尾電流” (Tail Current) 30，導(dǎo)致巨大的關(guān)斷損耗。ZCS 可以在電流過(guò)零時(shí)關(guān)斷器件，完美解決這一問(wèn)題 。

效果： 先進(jìn)的 ZVZCS 拓?fù)淠軌蛟谌?fù)載范圍內(nèi)消除環(huán)流，并實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)的 ZVS 開通和（準(zhǔn)）ZCS 關(guān)斷，極大地提高了效率 。

3.3 改進(jìn)路徑三：數(shù)字化與自適應(yīng)混合控制

此策略利用數(shù)字控制器 (DSP/MCU) 的靈活性，為變換器在不同工況下匹配最佳工作模式 。

工作機(jī)制：

輕載/空載區(qū)： 放棄移相控制，轉(zhuǎn)而采用傳統(tǒng) PWM 控制或脈沖跳躍 (Burst Mode) 模式 。此舉從根本上消除了環(huán)流損耗 。雖然 ZVS 會(huì)丟失，但在極輕負(fù)載下，$C cdot V^2 cdot f_{sw}$ 的硬開關(guān)損耗遠(yuǎn)小于環(huán)流 $I^2R$ 損耗。

中載/重載區(qū)： 自動(dòng)切換回移相控制模式，以充分利用 ZVS 降低開關(guān)損耗的優(yōu)勢(shì) 。

效果： 結(jié)合兩種控制模式的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了全負(fù)載范圍內(nèi)的“平坦效率曲線”6，完美解決了 PSFB 的輕載效率難題。

第四部分：碳化硅 (SiC) 功率器件在 PSFB 中的應(yīng)用價(jià)值

如果說(shuō)第三部分的改進(jìn)是“戰(zhàn)術(shù)優(yōu)化”，那么碳化硅 (SiC) 功率器件的應(yīng)用則是對(duì) PSFB 拓?fù)涞摹皯?zhàn)略重塑”。SiC 器件的物理特性從根本上解決了傳統(tǒng)硅 (Si) 器件的物理瓶頸。

4.1 根源性變革：打破 Si IGBT 的“硅基天花板”

在 10kW 以上的大功率 PSFB 應(yīng)用中（如充電樁、儲(chǔ)能、大功率焊機(jī)），傳統(tǒng)上只能使用 1200V 等級(jí)的 Si IGBT 。然而，IGBT 作為雙極型器件，其物理特性限制了 PSFB 的發(fā)展：

拖尾電流 (Tail Current)： IGBT 依靠少數(shù)載流子導(dǎo)電，關(guān)斷時(shí)需要時(shí)間進(jìn)行電荷復(fù)合，導(dǎo)致了嚴(yán)重的“拖尾電流” 。

高關(guān)斷損耗 ($E_{off}$): 拖尾電流導(dǎo)致了巨大的關(guān)斷損耗 ，使得 Si IGBT 無(wú)法在高頻（通常 > 20-30kHz）下有效工作 。

PSFB 拓?fù)涞暮诵膬r(jià)值主張是“高頻化以縮小磁性元件” ，但在高壓大功率應(yīng)用中，唯一的硅基選項(xiàng) Si IGBT 卻因拖尾電流而“快不起來(lái)” 。這種“拓?fù)淅碚搩?yōu)勢(shì)”與“器件物理限制”之間的深刻矛盾，即是“硅基天花板”。

SiC MOSFET 作為單極型器件，完全不存在拖尾電流。它首次在高壓（650V-1700V）領(lǐng)域，將 IGBT 的高功率容量與 MOSFET 的超快開關(guān)速度集于一身 。性能對(duì)比顯示，SiC MOSFET 的 $E_{off}$（關(guān)斷損耗）比 Si IGBT 低近 78% 。SiC 的出現(xiàn)，徹底打破了這一頻率限制，將 PSFB 的工作頻率提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)，從而釋放了拓?fù)涞娜繚摿Α?/p>

4.2 SiC 的核心價(jià)值一：實(shí)現(xiàn)更高開關(guān)頻率與功率密度

SiC 極低的開關(guān)損耗（$E_{on}$ 和 $E_{off}$）是其最核心的優(yōu)勢(shì) 。來(lái)自 BASIC Semiconductor 的仿真數(shù)據(jù)（見表 3）直觀地證明了這一點(diǎn)：在 300A 電流下，SiC 模塊 (BMF540R12KA3) 在 12kHz 下的開關(guān)損耗僅為 104.14W。相比之下，Si IGBT 模塊 (FF800R12KE7) 在僅 6kHz 下的開關(guān)損耗高達(dá) 957.75W 。

這意味著 SiC 在開關(guān)頻率高 1 倍的情況下，開關(guān)損耗反而降低了近 9.2 倍。這種極低的開關(guān)損耗使得 PSFB 運(yùn)行在 100kHz 、300kHz 甚至 500kHz 成為可能，如 2.1 節(jié)所述，這直接導(dǎo)致了變壓器和電感體積的指數(shù)級(jí)縮小，實(shí)現(xiàn)功率密度的飛躍。

4.3 SiC 的核心價(jià)值二：全方位降低系統(tǒng)損耗

SiC 的優(yōu)勢(shì)不僅在于開關(guān)損耗，還在于導(dǎo)通及續(xù)流階段。

極低的反向恢復(fù)電荷 ($Q_{rr}$)：

PSFB 的 ZVS 轉(zhuǎn)換依賴于體二極管的續(xù)流 。傳統(tǒng) Si MOSFET 的體二極管性能差，$Q_{rr}$ 很高，恢復(fù)過(guò)程緩慢且損耗大 。

SiC MOSFET 的體二極管速度極快，$Q_{rr}$ 極低 。

來(lái)自 BASIC Semiconductor 的數(shù)據(jù)顯示，其模塊通過(guò)內(nèi)部集成 SiC SBD（肖特基二極管），實(shí)現(xiàn)了“基本沒(méi)有反向恢復(fù)行為”和“大幅度降低管壓降” 。

如表 1 所示，BMF240R12E2G3 在 125°C、400A 下的 $Q_{rr}$ 僅為 0.74uC，遠(yuǎn)低于競(jìng)品 W*** 的 2.69uC 。這使得 ZVS 轉(zhuǎn)換過(guò)程中的二極管反向恢復(fù)損耗 ($E_{rr}$) 被極大降低。

優(yōu)異的導(dǎo)通損耗 ($R_{DS(on)}$)：

SiC 材料具有更高的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)，允許器件在同等耐壓下做得更薄，從而實(shí)現(xiàn)更低的 $R_{DS(on)}$ 。

更重要的是，SiC 的 $R_{DS(on)}$ 隨溫度上升的幅度遠(yuǎn)小于 Si MOSFET 35，高溫表現(xiàn)優(yōu)異 。

如表 3 所示，在 300A 電流下，SiC 模塊的導(dǎo)通損耗 (133W) 也優(yōu)于 IGBT (161W) 。

4.4 SiC 的核心價(jià)值三：提升系統(tǒng)可靠性與熱管理

SiC 的高頻和高密度特性對(duì)系統(tǒng)熱管理提出了挑戰(zhàn)，而 SiC 材料本身和配套的先進(jìn)封裝技術(shù)恰好應(yīng)對(duì)了這一挑戰(zhàn)。

高溫工作能力： SiC 的寬禁帶特性使其具有更高的結(jié)溫上限（$T_{j.max}$ 可達(dá) 175°C）和更優(yōu)的高溫穩(wěn)定性 。

先進(jìn)封裝協(xié)同： 為發(fā)揮 SiC 的高溫優(yōu)勢(shì)，必須配合先進(jìn)的封裝材料。BASIC Semiconductor 的模塊采用了高性能 $text{Si}_3text{N}_4$（氮化硅）AMB 陶瓷基板 。

性能對(duì)比： $text{Si}_3text{N}_4$ 具有 90 W/mk 的高熱導(dǎo)率（遠(yuǎn)優(yōu)于 $Al_2O_3$ 的 24 W/mk）和 700 N/mm2 的極高抗彎強(qiáng)度（遠(yuǎn)優(yōu)于 AlN 的 350 N/mm2 和 $Al_2O_3$ 的 450 N/mm2），使其在溫度沖擊下不易開裂，可靠性極高 。

高溫焊料： 配合高溫焊料 ，進(jìn)一步提升了模塊在高溫下的服役壽命。

SiC 器件的應(yīng)用在 PSFB 中創(chuàng)造了一個(gè)自我強(qiáng)化的**“良性循環(huán)” (Virtuous Cycle)**：

SiC 的超低開關(guān)損耗 37 $rightarrow$ 允許開關(guān)頻率大幅提升 。

開關(guān)頻率提升 $rightarrow$ 磁性元件體積急劇縮小 。

磁性元件縮小 $rightarrow$ 系統(tǒng)功率密度提升，但導(dǎo)致熱量集中。

SiC 的高溫耐受性 40 + $text{Si}_3text{N}_4$ 先進(jìn)封裝 37 $rightarrow$ 完美應(yīng)對(duì)熱量集中問(wèn)題。

同時(shí)，SiC 的總損耗（開關(guān)+導(dǎo)通）遠(yuǎn)低于 Si 30 $rightarrow$ 產(chǎn)生的總熱量更少。

總熱量更少 $rightarrow$ 所需散熱器 (Heatsink) 體積更小 。

散熱器體積縮小 $rightarrow$ 系統(tǒng)功率密度進(jìn)一步提升。

這是一個(gè)正反饋的、指數(shù)級(jí)的系統(tǒng)優(yōu)化過(guò)程，是 SiC 技術(shù)在 PSFB 中最核心的價(jià)值體現(xiàn)。

第五部分：基于 BASIC Semiconductor SiC 模塊的 PSFB 性能實(shí)證

理論分析最終需要數(shù)據(jù)驗(yàn)證。本部分將結(jié)合 BASIC Semiconductor 提供的實(shí)測(cè)及仿真數(shù)據(jù)，量化 SiC 器件在 PSFB 典型應(yīng)用中的性能優(yōu)勢(shì)。

5.1 實(shí)證對(duì)比一：SiC vs. SiC（BMF240R12E2G3 與國(guó)際競(jìng)品）

SiC 技術(shù)本身也在不斷迭代。BASIC 第三代芯片技術(shù) 展示了其在關(guān)鍵性能上的優(yōu)化。如表 1 所示，BMF240R12E2G3 (BASIC) 在與國(guó)際競(jìng)品 W*** 和 I** 的對(duì)比中表現(xiàn)出色。

表 1：BMF240R12E2G3 與國(guó)際競(jìng)品 SiC 模塊關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比

分析：

$V_{SD}$ (續(xù)流壓降)： BMF240R12E2G3 的 $V_{SD}$ 遠(yuǎn)低于競(jìng)品，這歸功于其內(nèi)部集成了 SiC SBD 37，極大地降低了 PSFB 續(xù)流階段的導(dǎo)通損耗。

$E_{off}$ (關(guān)斷損耗)： BMF240R12E2G3 的 $E_{off}$ 比 W*** 低約 45%，比 I** 低約 30%。這對(duì)于高頻 PSFB 拓?fù)渲陵P(guān)重要。

$Q_{rr}$ (反向恢復(fù)電荷)： BMF240R12E2G3 的 $Q_{rr}$ 比 W*** 低約 72%（與 I** 接近）。

$C_{rss}$ (米勒電容)： 更低的 $C_{rss}$ 意味著更快的開關(guān)瞬態(tài)和更低的驅(qū)動(dòng)損耗。

這些數(shù)據(jù)證明了先進(jìn)的 SiC 芯片技術(shù)（如更優(yōu)的 $V_{SD}$ 和 $E_{off}$）能為 PSFB 帶來(lái)更低的總體損耗。

5.2 實(shí)證對(duì)比二：SiC vs. Si IGBT（焊機(jī) H 橋拓?fù)洌?/p>

焊機(jī)是 PSFB 的典型高頻應(yīng)用 。表 2 的仿真對(duì)比了 BMF80R12RA3 (SiC) 與某高速 Si IGBT 模塊在 20kW 焊機(jī) H 橋中的表現(xiàn)。

表 2：焊機(jī) H 橋拓?fù)浞抡鎸?duì)比：SiC MOSFET (BMF80R12RA3) vs. 高速 Si IGBT

分析：

此數(shù)據(jù)完美印證了 4.1 節(jié)中的“硅基天花板”理論。Si IGBT 被限制在 20kHz，總損耗已高達(dá) 400W-600W。而 SiC 模塊可以在 5 倍于 IGBT 的開關(guān)頻率 (100kHz) 下工作，而總損耗反而降低了 40% - 55%。這為焊機(jī)電源的小型化和輕量化提供了決定性的技術(shù)支持。

5.3 實(shí)證對(duì)比三：SiC vs. Si IGBT（儲(chǔ)能/電機(jī)驅(qū)動(dòng) H 橋）

此仿真對(duì)比了 BMF540R12KA3 (SiC) 與 FF800R12KE7 (IGBT) 在高功率 H 橋（與儲(chǔ)能 PCS 拓?fù)涓叨认嚓P(guān) ）中的性能。

表 3：H 橋拓?fù)浞抡鎸?duì)比：SiC MOSFET (BMF540R12KA3) vs. Si IGBT (FF800R12KE7)

分析：

表 3 揭示了損耗的構(gòu)成：IGBT 的損耗絕大部分（約 85%）來(lái)自開關(guān)損耗（957W），而 SiC 的開關(guān)損耗（104W）被極大抑制。在相同的結(jié)溫（即相同的散熱能力）限制下，SiC 模塊能比 IGBT 多輸出 24.8% 的電流 。這再次印證了 SiC 在高功率密度系統(tǒng)中的“良性循環(huán)”優(yōu)勢(shì)。

5.4 關(guān)鍵應(yīng)用選型總結(jié)

基于上述實(shí)證優(yōu)勢(shì)，SiC 功率模塊已成為大功率 PSFB 拓?fù)涞氖走x方案，廣泛應(yīng)用于：

大功率充電樁： $ge 60kW$ 模塊，如 BMF240R12E2G3 。

儲(chǔ)能 PCS： $ge 100kW$ AC/DC 變換器，如 62mm 封裝的 BMF360R12KA3 / BMF540R12KA3 。

高端工業(yè)焊機(jī)： 350-500A 焊機(jī)，如 34mm 封裝的 BMF80R12RA3 / BMF160R12RA3 。

第六部分：總結(jié)與未來(lái)展望

深圳市傾佳電子有限公司（簡(jiǎn)稱“傾佳電子”）是聚焦新能源與電力電子變革的核心推動(dòng)者：
傾佳電子成立于2018年，總部位于深圳福田區(qū)，定位于功率半導(dǎo)體與新能源汽車連接器的專業(yè)分銷商，業(yè)務(wù)聚焦三大方向：
新能源：覆蓋光伏、儲(chǔ)能、充電基礎(chǔ)設(shè)施；
交通電動(dòng)化：服務(wù)新能源汽車三電系統(tǒng)（電控、電池、電機(jī)）及高壓平臺(tái)升級(jí)；
數(shù)字化轉(zhuǎn)型：支持AI算力電源、數(shù)據(jù)中心等新型電力電子應(yīng)用。
公司以“推動(dòng)國(guó)產(chǎn)SiC替代進(jìn)口、加速能源低碳轉(zhuǎn)型”為使命，響應(yīng)國(guó)家“雙碳”政策（碳達(dá)峰、碳中和），致力于降低電力電子系統(tǒng)能耗。
需求SiC碳化硅MOSFET單管及功率模塊，配套驅(qū)動(dòng)板及驅(qū)動(dòng)IC，請(qǐng)?zhí)砑觾A佳電子楊茜微芯（壹叁貳 陸陸陸陸 叁叁壹叁）

移相全橋 (PSFB) 拓?fù)涞难葸M(jìn)史，是電力電子技術(shù)為解決硬開關(guān)損耗、追求高頻化和高效率而不斷創(chuàng)新的歷史。它從最初利用 $L_{lk}-C_{oss}$ 諧振實(shí)現(xiàn) ZVS，到后續(xù)發(fā)展出有源鉗位、ZVZCS 和數(shù)字混合控制等先進(jìn)策略，以克服其固有的環(huán)流損耗和輕載效率低下的“效率悖論”。

然而，真正將 PSFB 拓?fù)錆摿ν耆尫诺?，是碳化?(SiC) 功率器件的出現(xiàn)。SiC MOSFET 以其革命性的低開關(guān)損耗（無(wú)拖尾電流）、極低的反向恢復(fù)電荷 ($Q_{rr}$) 和優(yōu)異的導(dǎo)通電阻 ($R_{DS(on)}$) 特性，徹底打破了 Si IGBT 的“頻率天花板”。

實(shí)證數(shù)據(jù)雄辯地證明，SiC 器件不僅能將 PSFB 的工作頻率提升數(shù)倍，還能在更高頻率下實(shí)現(xiàn)更低的總損耗和更高的輸出能力。這在系統(tǒng)層面觸發(fā)了一個(gè)“良性循環(huán)”：高頻化縮小了磁性元件，而 SiC 的高溫穩(wěn)定性和低損耗特性又縮小了散熱系統(tǒng)，兩者共同將功率密度推向了新的高度。

展望未來(lái)，SiC 技術(shù)將繼續(xù)推動(dòng) PSFB 拓?fù)湎蚋哳l率（500kHz 甚至 MHz 級(jí)別）、更深度集成（如將 SiC 芯片與變壓器、驅(qū)動(dòng)集成的功率系統(tǒng) SiP）以及更廣泛的雙向應(yīng)用（如 V2G 充電樁和儲(chǔ)能 PCS）發(fā)展。SiC 不僅僅是 PSFB 拓?fù)涞囊粋€(gè)選項(xiàng)，而是其實(shí)現(xiàn)高頻、高效、高功率密度使命的關(guān)鍵使能技術(shù) (Key Enabling Technology)。

審核編輯 黃宇