简化电源并节省成本SiC大展身手

日期:2020-09-03

 
作者:Wolfgang Sayer儒卓力产品线经理Aly Mashaly罗姆半导体
 
碳化硅(SiC)技术除了具有更高的效率外,还提供诸多优势,即使在相对简单的电路(例如反激转换器)中,也可以让设计人员提高功率密度、增强可靠性并节省总体材料成本。
业界认为碳化硅(SiC)功率半导体可以在能源极其宝贵的功率转换应用中实现更高效率,例如用于太阳能发电机和高端电动汽车。
 
 

1:辅助电源的位置和用途
 
实际上,碳化硅(SiC)功率器件具有更多的优势,包括借助其强化的温度特性可提高功率密度和可靠性,同时可简化电路设计,减少对外部组件的依赖,并且可允许使用更小且成本更低的无源组件。通过比较分别使用SiC和硅技术的辅助电源反激转换器的几种设计,我们可以看到在普通应用中是如何发挥SiC这些优势的。
 
SiC优势的根基
在用于构建功率半导体器件的工艺形式中,SiC在价带和导带技术之间的带隙能为3.2 eV,这大约为普通硅的三倍。另外,其介电击穿场强度大约为硅的十倍。这两个特性共同赋予了SiC器件优异的性能,包括更快的开关速度、更高的效率、更高的温度稳定性以及更高的工作温度上限。对于设备设计人员而言,这可以减少对散热管理的需求,而不会损害设备的可靠性。
 

2:分析反激式转换器中最坏情况的VDS
 

3:常规硅MOSFET可在双开关反激式转换器中提供所需的电压能力
 
SiC的击穿场强度更高,使得MOSFET的漂移层可以薄很多,对于给定的击穿电压,其导通电阻RDS(ON)相对于芯片面积更低。为了在普通硅中实现高击穿电压,MOSFET具有更高的RDS(ON),从而导致更大的传导损耗。SiC技术还允许较低的MOSFET栅极电荷Qg,从而以较低的能量损耗实现更快的开关速度,同时具有低RDS(ON)和高击穿电压。
 
辅助电源设计挑战
诸如太阳能逆变器、工业DC/DC转换器、电池充电器等设备通常包含一个辅助电源单元,这个电源单元从主输入端运行,以便为诸如传感器模块、显示器和其他控制单元或驱动器之类的子系统供电(图1)。
为了简便,这里通常会使用反激转换器。来自次级侧的反射电压、最大关断过冲和直流输入电压,使得主电源开关必须能够承受最坏情况下的漏源电压(图2)。这些电压的总和可能超过1300V。
可以考虑采用多种设计方法来确保功率晶体管能够承受在漏极和源极端子之间施加的最坏情形电压。每种方法都有各自的优点和缺点。
一种方法是选择具有高击穿电压(例如1500 V)的功率晶体管。然而,普通的硅高压晶体管具有相对较高的导通电阻(RDS(ON)),因此会导致不良的传导损耗和散热。它们亦往往具有较高的栅极电荷(Qg),这会导致较高的驱动损耗以及较高的泄漏电流,尤其是在高温下。
另一种替代方法是串联连接一对800 V硅MOSFET,这需要更复杂的栅极驱动电路,并且还需要电压平衡电路。另外,两个器件都需要散热器,因此增加了占用的空间。
还有一种解决方案是使用双开关反激拓扑结构(图3),但代价是电路更复杂。这需要隔离的栅极驱动器和电源来控制高边开关,而且每个器件都需要散热器。

4:轻载、中载和满载时的MOSFET开关波形
作为替代,可以使用具有1700 V击穿电压和3.7A额定电流的单个SiC MOSFET器件(例如SCT2H12NZ)。该器件结合了高击穿电压与低RDS(ON),其数值范围是相近1500 V硅MOSFET的二分之一到八分之一。另外,Qg和输入电容大大降低,因此允许更高的开关频率,从而可以使用更小的外部组件。此外,SiC能够承受更高的工作温度,从而降低了散热需求。
通过允许单FET反激电路以最小的传导损耗来达到所需的击穿电压,并且在更高的开关频率下工作,转用SiC器件可以节省BOM成本,从而在总体上提供更经济的解决方案。
专用反激控制器IC产品BD7682FJ用于驱动SiC MOSFET。除了为SiC器件生成建议的14到22 V范围(通常约为18 V)栅极驱动信号外,它还集成了14 V欠压锁定(UVLO)功能以避免散热问题,还带有输出钳位功能以防止SiC栅极发生过电压。这款控制器实现了准谐振开关,以最大程度地降低动态损耗并实现低噪声,并采用突发模式以提高轻负载效率。BD7682FJ还内置了多种保护功能,例如软启动、每周期过流限制器、过压保护和过载保护功能。
 
性能评测
罗姆(Rohm)创建了具备SCT2H12NZ和BD7682FJ的100 W辅助电源评测板,能够在
输入电压范围为210–480VAC或300–900VDC的条件下运行。
图4显示了轻负载(图左)、50%负载(图中)和标称负载(图右)下晶体管VGS和VDS波形。轻负载波形显示了控制器如何在打开MOSFET之前等待几个波谷,从而导致工作频率低于标称90到120 kHz范围。随着输出功率的增加,延迟时间减少,工作频率增加。在标称功率下,MOSFET在第一个波谷就会导通,在整个负载范围内进行的测量表明,对于300到900VDC输入电压范围,在标称功率输出下效率提高到88到92%。
通过创建辅助电源评测板,罗姆演示了如果充分利用SiC器件的优势,可以实现系统级的成本节省。
 
完全集成以发挥最大优势
罗姆(Rohm)现在更进一步,创建了BM2SCQ121T-LBZ准谐振AC/DC转换器,完全集成了4 A、1700 V SiC MOSFET与BD7682FJ的功能(包括UVLO、电压钳位和突发模式)。这款转换器采用方便的TO-220-6M封装,可以比先前更便捷地使用SiC器件进行设计,并且最大程度地节省部件数目和电路板空间。
 
结论
通过结合高额定击穿电压与低RDS(ON),以及高开关速度、低开关损耗和高温性能,碳化硅MOSFET器件让设计人员能够在多种应用中简化电路设计并降低材料成本,其中包括简单的反激转换器。
 
如今,一种新型的完全集成式反激转换器IC包含了栅极驱动和控制电路以及内置1700 V SiC MOSFET,采用的是易于使用的行业标准电源封装,完美结合了所有这些优势。

5BD7682FJ评测板
 

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