工業(yè)輔助電源中的 SiC
出處：維庫電子市場網 發(fā)布于：2024-07-12 17:12:25 | 522 次閱讀
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。根據輸入電壓，MOSFET 必須承受高達 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 的設備。具有此擊穿電壓額定值的 Si MOSFET 是可用的，但會產生高損耗，因此需要笨重且昂貴的散熱器
一種選擇是使用更復雜的拓撲結構以避免使用 1500V MOSFET（例如雙開關反激式或低壓器件的串聯(lián)連接）；然而，這會導致額外的復雜性和增加的元件數量。
1700V SiC MOSFET的導通電阻比 1500V Si MOSFET 低約兩個數量級（見圖 2），這為輔助電源設計人員提供了使用簡單的單開關反激式拓撲的選項，并通過緊湊的設計實現(xiàn)良好的性能。ROHM Semiconductor 提供適合此類應用的高壓 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至 5 毫米和 5.45 米。
控制 IC 可實現(xiàn)經濟高效的基于 SiC 的單開關反激式拓撲
基于SiC反激式輔助電源解決方案由于采用了專門設計用于以安全可靠的方式驅動此拓撲中的 SiC 功率 MOSFET 的控制 IC，而沒有柵極驅動器 IC 引入的復雜性，因此獲得了更大的吸引力。
ROHM Semiconductor 推出了一款準諧振 AC-DC 控制器 IC，BD768xFJ，可與目前市場上的多種 SiC MOSFET 兼容，特別是在這些器件的柵極驅動要求方面。將 BD768xFJ 控制 IC 與 ROHM 1700V SiC MOSFET 結合使用時，可實現(xiàn)效率和性能的最佳匹配。BD768xFJ 不僅實現(xiàn)了反激電路的所有控制，還負責以合適的柵極電壓驅動 SiC MOSFET，以確保最佳性能。此外，柵極鉗位和過載保護功能可確保 SiC MOSFET 的保護。
控制 IC BD768xFJ 采用緊湊型 SOP8-J8 封裝，提供一系列功能和保護特性，包括帶外部分流器的電流檢測、過載、輸入欠壓和輸出過壓保護以及軟啟動。在整個工作區(qū)域內，實現(xiàn)準諧振開關，以最大限度地降低 EMI 并確保低開關損耗。為了優(yōu)化低負載下的操作，控制器中實現(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
為了展示基于 SiC MOSFET 的簡單輔助電源所能實現(xiàn)的性能，我們開發(fā)了一個評估板（見圖 4）。在此電路示例中，BD768xFJ-LB
用于驅動準諧振開關 AC/DC 轉換器中的 1700V SiC MOSFET (SCT2H12NZ)。準諧振操作可最大限度地減少開關損耗并有助于保持較低的 EMI。電流檢測通過外部電阻實現(xiàn)。通過使用控制器的突發(fā)模式操作和在輕負載條件下降低開關頻率，可最大限度地提高功率效率。
圖 5 顯示了 SiC MOSFET 的開關波形。不同輸出負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。這種準諧振操作可最大限度地減少開關損耗和 EMI。在非常輕的負載下退出突發(fā)模式后，建立準諧振模式，并跳過大量谷值，然后重新啟動新周期并打開晶體管（左圖，Pout=5W）。
圖 5：準諧振操作中的 SiC MOSFET 開關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，這導致頻率增加（Pout=20W 時的圖片）。接近定義的最大輸出功率（本例中為 40W）時，達到最后一個谷值。此時開關頻率達到最大值 120 kHz。
稍微降低開關頻率即可滿足更高的輸出功率需求，從而增加初級開關的導通時間。這會增加初級電流峰值，從而增加傳輸能量（Pout = 40W 時的圖片）。超過最大輸出功率水平時，會觸發(fā)過流保護并阻止開關動作，以防止系統(tǒng)過熱。
電路板在前兩個工作點以非連續(xù)傳導模式 (DCM) 運行，在最后一個工作點 (40W) 時以邊界傳導模式 (BCM) 運行。根據輸入電壓，DCM 和 BCM 之間的轉換發(fā)生在不同的輸出功率水平。
圖 6：對 SiC 輔助電源裝置進行的測量下圖顯示了在高達 40 W 的負載范圍和 12V 的輸出電壓下不同輸入電壓的效率。在整個測量過程中，如下圖所示，確認 SiC MOSFET 的外殼溫度保持在 90°C 以下。SiC MOSFET 的最大允許結溫為 175°C。
由于芯片到外殼的熱阻遠低于外殼到環(huán)境的熱阻，因此可以安全地假設結溫遠低于極限值，這證實了該電路板在沒有散熱器的情況下可以在高達 40W 的輸出功率下運行。如果為 SiC MOSFET 使用散熱器并改善輸出整流二極管的冷卻，則可以實現(xiàn)更高的輸出功率。
雖然此處顯示的是直流輸入電壓測量，但也可以使用 400/480V 三相交流電源來操作評估板。線路整流所需的二極管橋已在 PCB 上實現(xiàn)。
SiC MOSFET 技術使設計人員能夠實現(xiàn)更高的效率、簡單性、可靠性和緊湊性。對于 3 相輸入或 400V 以上的直流輸入電壓，簡單、經濟高效的單開關反激式解決方案對于功率為幾十瓦的 Si MOSFET 來說并不實用，因為 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)設計簡單的輔助電源。SiC MOSFET 技術使設計人員能夠實現(xiàn)更高的效率、簡單性、可靠性和緊湊性。由于 1700V SiC MOSFET 的性能優(yōu)勢，可以以與 Si MOSFET 解決方案相當的系統(tǒng)成本實現(xiàn)這一點。
此外，還可以降低散熱器和磁性元件等昂貴組件的成本。控制 IC 經過優(yōu)化，可以安全驅動 SiC MOSFET，從而幫助實現(xiàn)非常簡單的解決方案，減少設計工作量并最大限度地縮短系統(tǒng)上市時間。
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