工業(yè)輔助電源中的 SiC

出處：維庫電子市場(chǎng)網(wǎng) 發(fā)布于：2024-07-12 17:12:25 | 403 次閱讀

　　任何類型的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（例如太陽能逆變器、電力驅(qū)動(dòng)、UPS、HVDC）都需要輔助電源來提供低壓總線（例如 12V 或 24V），以便為柵極驅(qū)動(dòng)器、微控制器、顯示器、傳感器或風(fēng)扇供電，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。對(duì)于典型的工業(yè)設(shè)備，輔助電源需要使用三相 400/480V 交流電源；對(duì)于光伏逆變器，輔助電源需要使用高直流電壓。
　　用于緊湊型輔助電源的 SiC MOSFET

　　圖 1 顯示了用于輔助電源的典型電路。根據(jù)輸入電壓，MOSFET 必須承受高達(dá) 1300V 的電壓。由于需要一定的安全裕度，因此通常使用額定電壓至少為 1500V 的設(shè)備。具有此擊穿電壓額定值的 Si MOSFET 是可用的，但會(huì)產(chǎn)生高損耗，因此需要笨重且昂貴的散熱器

　　圖 1：反激式作為典型的輔助電源拓?fù)?/span>
　　一種選擇是使用更復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以避免使用 1500V MOSFET（例如雙開關(guān)反激式或低壓器件的串聯(lián)連接）；然而，這會(huì)導(dǎo)致額外的復(fù)雜性和增加的元件數(shù)量。

　　1700V SiC MOSFET的導(dǎo)通電阻比 1500V Si MOSFET 低約兩個(gè)數(shù)量級(jí)（見圖 2），這為輔助電源設(shè)計(jì)人員提供了使用簡(jiǎn)單的單開關(guān)反激式拓?fù)涞倪x項(xiàng)，并通過緊湊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)良好的性能。ROHM Semiconductor 提供適合此類應(yīng)用的高壓 SiC MOSFET，采用表面貼裝封裝（TO-268-2L）以及全模塑隔離 TO-3PFM 封裝。這些器件的爬電距離分別延長(zhǎng)至 5 毫米和 5.45 米。

　　圖 2：Si 和 SiC MOSFET 的具體導(dǎo)通電阻
　　控制 IC 可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)高效的基于 SiC 的單開關(guān)反激式拓?fù)?/span>
　　基于SiC反激式輔助電源解決方案由于采用了專門設(shè)計(jì)用于以安全可靠的方式驅(qū)動(dòng)此拓?fù)渲械?SiC 功率 MOSFET 的控制 IC，而沒有柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 引入的復(fù)雜性，因此獲得了更大的吸引力。
　　ROHM Semiconductor 推出了一款準(zhǔn)諧振 AC-DC 控制器 IC，BD768xFJ，可與目前市場(chǎng)上的多種 SiC MOSFET 兼容，特別是在這些器件的柵極驅(qū)動(dòng)要求方面。將 BD768xFJ 控制 IC 與 ROHM 1700V SiC MOSFET 結(jié)合使用時(shí)，可實(shí)現(xiàn)效率和性能的最佳匹配。BD768xFJ 不僅實(shí)現(xiàn)了反激電路的所有控制，還負(fù)責(zé)以合適的柵極電壓驅(qū)動(dòng) SiC MOSFET，以確保最佳性能。此外，柵極鉗位和過載保護(hù)功能可確保 SiC MOSFET 的保護(hù)。
　　控制 IC BD768xFJ 采用緊湊型 SOP8-J8 封裝，提供一系列功能和保護(hù)特性，包括帶外部分流器的電流檢測(cè)、過載、輸入欠壓和輸出過壓保護(hù)以及軟啟動(dòng)。在整個(gè)工作區(qū)域內(nèi)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)諧振開關(guān)，以最大限度地降低 EMI 并確保低開關(guān)損耗。為了優(yōu)化低負(fù)載下的操作，控制器中實(shí)現(xiàn)了降頻模式以及突發(fā)操作。

　　下圖顯示了基于 BD768xFJ 控制 IC 和 ROHM 1700V SiC MOSFET的簡(jiǎn)單但高性能的輔助電源裝置的主要電路。

　　圖3：采用BD728xFJ控制IC和1700V SiC MOSFET的輔助電源電路

　　基于SiC MOSFET的輔助電源性能
　　為了展示基于 SiC MOSFET 的簡(jiǎn)單輔助電源所能實(shí)現(xiàn)的性能，我們開發(fā)了一個(gè)評(píng)估板（見圖 4）。在此電路示例中，BD768xFJ-LB
　　用于驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)諧振開關(guān) AC/DC 轉(zhuǎn)換器中的 1700V SiC MOSFET (SCT2H12NZ)。準(zhǔn)諧振操作可最大限度地減少開關(guān)損耗并有助于保持較低的 EMI。電流檢測(cè)通過外部電阻實(shí)現(xiàn)。通過使用控制器的突發(fā)模式操作和在輕負(fù)載條件下降低開關(guān)頻率，可最大限度地提高功率效率。

　　圖 5 顯示了 SiC MOSFET 的開關(guān)波形。不同輸出負(fù)載下的波形說明了控制器如何選擇諧振漏源電壓的不同谷值來打開 SiC MOSFET。這種準(zhǔn)諧振操作可最大限度地減少開關(guān)損耗和 EMI。在非常輕的負(fù)載下退出突發(fā)模式后，建立準(zhǔn)諧振模式，并跳過大量谷值，然后重新啟動(dòng)新周期并打開晶體管（左圖，Pout=5W）。

　　圖 5：準(zhǔn)諧振操作中的 SiC MOSFET 開關(guān)波形
　　隨著輸出功率的增加，在重新開始循環(huán)之前跳過的谷值越來越少，這導(dǎo)致頻率增加（Pout=20W 時(shí)的圖片）。接近定義的最大輸出功率（本例中為 40W）時(shí)，達(dá)到最后一個(gè)谷值。此時(shí)開關(guān)頻率達(dá)到最大值 120 kHz。
　　稍微降低開關(guān)頻率即可滿足更高的輸出功率需求，從而增加初級(jí)開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間。這會(huì)增加初級(jí)電流峰值，從而增加傳輸能量（Pout = 40W 時(shí)的圖片）。超過最大輸出功率水平時(shí)，會(huì)觸發(fā)過流保護(hù)并阻止開關(guān)動(dòng)作，以防止系統(tǒng)過熱。
　　電路板在前兩個(gè)工作點(diǎn)以非連續(xù)傳導(dǎo)模式 (DCM) 運(yùn)行，在最后一個(gè)工作點(diǎn) (40W) 時(shí)以邊界傳導(dǎo)模式 (BCM) 運(yùn)行。根據(jù)輸入電壓，DCM 和 BCM 之間的轉(zhuǎn)換發(fā)生在不同的輸出功率水平。
　

　　圖 6：對(duì) SiC 輔助電源裝置進(jìn)行的測(cè)量
　　下圖顯示了在高達(dá) 40 W 的負(fù)載范圍和 12V 的輸出電壓下不同輸入電壓的效率。在整個(gè)測(cè)量過程中，如下圖所示，確認(rèn) SiC MOSFET 的外殼溫度保持在 90°C 以下。SiC MOSFET 的最大允許結(jié)溫為 175°C。
　　由于芯片到外殼的熱阻遠(yuǎn)低于外殼到環(huán)境的熱阻，因此可以安全地假設(shè)結(jié)溫遠(yuǎn)低于極限值，這證實(shí)了該電路板在沒有散熱器的情況下可以在高達(dá) 40W 的輸出功率下運(yùn)行。如果為 SiC MOSFET 使用散熱器并改善輸出整流二極管的冷卻，則可以實(shí)現(xiàn)更高的輸出功率。
　　雖然此處顯示的是直流輸入電壓測(cè)量，但也可以使用 400/480V 三相交流電源來操作評(píng)估板。線路整流所需的二極管橋已在 PCB 上實(shí)現(xiàn)。
　　SiC MOSFET 技術(shù)使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崿F(xiàn)更高的效率、簡(jiǎn)單性、可靠性和緊湊性。對(duì)于 3 相輸入或 400V 以上的直流輸入電壓，簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)高效的單開關(guān)反激式解決方案對(duì)于功率為幾十瓦的 Si MOSFET 來說并不實(shí)用，因?yàn)?Si MOSFET 的功率較差
　　1700V SiC MOSFET 的卓越性能和控制 IC 系列 BD768xFJ 的可用性允許為三相系統(tǒng)或具有良好性能的高直流輸入電壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的輔助電源。SiC MOSFET 技術(shù)使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崿F(xiàn)更高的效率、簡(jiǎn)單性、可靠性和緊湊性。由于 1700V SiC MOSFET 的性能優(yōu)勢(shì)，可以以與 Si MOSFET 解決方案相當(dāng)?shù)南到y(tǒng)成本實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。
　　此外，還可以降低散熱器和磁性元件等昂貴組件的成本?？刂?IC 經(jīng)過優(yōu)化，可以安全驅(qū)動(dòng) SiC MOSFET，從而幫助實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單的解決方案，減少設(shè)計(jì)工作量并最大限度地縮短系統(tǒng)上市時(shí)間。

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