SiC MOSFET在高频率高功率密度功率转换器中的应用

SiC MOSFET在高频率高功率密度功率转换器中的应用

高效率和高功率密度一直是开关电源的持续需求,随着碳化硅(SiC)器件等宽带隙(Wide Band Gap, WBG)功率器件的技术开发和应用,使其在许多应用领域有望成为传统硅(Si)器件的替代品。本文将为您介绍SiC MOSFET在高频率高功率密度功率转换器中的应用。

碳化硅器件可实现更高效率与功率密度

由于碳化硅器件具有出色的开关速度和较低的开关损耗,以及导通电阻(RDS_ON)的低温依赖性,因此可以实现更高的效率、更高的功率密度、以及更高的稳固性和可靠性。

经过研究显示,在500kHz到1.5MHz下,SiC MOSFET在6.6kW DC/DC转换器中的性能表现极为优异。高频率操作的主要优点是变压器和EMI滤波器更小,而且变压器中集成了谐振电感,这进一步减小了转换器的尺寸。与传统的100kHz - 200kHz DC/DC转换器相比,在开关频率较高的情况下,LLC变压器的漏电感可用作谐振电感,在500kHz下运行的电路磁性组件的体积和重量减少了50%,磁性组件的功率损耗减少30%,LLC转换器(400V/16A输出)的峰值效率接近98.5%。由于ZVS(Zero Voltage Switch,零电压开关)产生的串扰要小得多,因此SiC MOSFET即使在没有负偏置驱动电压的情况下也可以可靠运行,从而降低了驱动电路成本。此类转换器可用于母线转换器、电动汽车充电机、服务器电源和储能系统。

在利用LTspice对SiC MOSFET的性能以及影响转换器效率的因素进行仿真研究时发现,当开关频率为500kHz,磁化电感Lm = 30 mH时,四个初级开关的仿真总功耗为80.24W(每个20.06W),由于所有主开关的ZVS导通,二极管作为输出整流器,总效率达到98.11%。

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LLC变压器的设计权衡

在进行LLC变压器的设计时,在计算出最大磁化电感后,进行高频率操作时,需要仔细考虑磁芯材料、气隙和导线尺寸,否则会造成极大的功率损耗,导致变压器因过热而发生意外故障。在适用于高频率的磁芯材料中,可选择Acme的P61,因为它的功率损耗低,而且易于获得用于大功率应用的磁芯形状,开关频率范围从500kHz到1MHz。

在PCB的设计方面,PCB布局对EMI、信号完整性以及电路效率和操作起着至关重要的作用,尤其是对于高频率LLC转换器而言。PCB可采用较大面积的铜片,目的是为了减少PCB线路的功率损耗和消除电流回路的磁场,但是,由于不同铜层之间存在较大面积的重叠,因此会产生较大寄生电容。若将PCB的铜线和迹线重叠区域缩小,其产生的寄生电容将大大降低。因此,需要在降低铜损和寄生效应之间进行权衡。

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SiC基功率器件具有比硅基器件更高的效率

在400V/16A直流输出下,测量效率与开关频率的关系,在最佳开关频率范围为500kHz到650kHz时,效率无明显下降。随着开关频率的增加,效率的下降主要是由于LLC变压器中与频率相关的铜损和磁芯损耗增加,以及PCB线路损耗。频率从500kHz增加到1MHz时,栅极驱动导致的功耗增加了2.2W,而每个MOSFET的功耗增加了3.5W(仿真时从20.06W增加到23.56W),在半负载(约3kW)时,可实现约98.5%的峰值效率。

此外,经过与初级侧开关的硅基功率器件(英飞凌的IPW60R70CFD7,57mW/600V)进行了对比测试。与硅基MOSFET相比,Cree推出的SiC基器件C3M0060065D的导通电阻随结温升高而增加的幅度要小得多。在150℃时,SiC器件的归一化导通电阻为1.3,而硅基器件则达到2.3。硅基MOSFET由于其导通电阻随温度的升高而显着增加,开关损耗较大,在高功率时效率降低1%,在相同的散热条件下已进入热失控状态。

对于在半桥或全桥电路中使用的MOSFET的关断,通常建议使用负栅极驱动电压(对于C3M006065D为-3V~-4V),以防止因高dv/dt引起的串扰而导致快速开关器件的误导通。但是,在LLC电路中,所有开关都是在零电压下通过软开关导通的,所以dv/dt要低得多,不会发生严重的串扰。因此,可以不需要开关关断的负电压,以降低驱动电路的复杂度和成本。

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SiC MOSFET在高功率密度应用极具发展机会

采用SiC MOSFET和集成磁性组件的LLC谐振DC/DC转换器,在经过500kHz - 1.5MHz范围内进行了全面测试之后,可以发现精心设计的PCB布局和变压器是实现高转换效率的关键。在功率密度为128W/in3的情况下,获得了超过98%的峰值效率。从测试效率数据和捕获的波形表明,SiC MOSFET在比传统硅基器件高得多的频率下操作时具有优越的性能。

此外,经过测试表明,在谐振LLC拓扑中,由于ZVS引起的串扰较小,即使在没有用于关断功率器件的负驱动电压的情况下,SiC MOSFET也能够可靠地操作,因此降低了驱动的复杂度和成本。

这些宽带隙器件在各种应用中为高效率、高功率密度的功率转换提供了前所未有的机会,未来的研究将把平面磁性组件与表面贴装功率器件结合起来,以实现更高功率密度转换器的设计。

结语

随着SiC基功率器件的发展逐渐成熟,有越来越多变压与功率转换应用采用SiC MOSFET,其具备转换效率高、发热低、体积小等优势,市场接受度越来越高。Cree推出的SiC MOSFET器件具有优异的功率转换效能,将会是相关电源产品与应用的首选之一。

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