广告

SiC实物评测:是否有传说的那么好?

2020-06-18 赵明灿 阅读:
都说SiC和GaN可以实现高效率,从而轻松满足业界所提出的最新能效要求。现在,EDN申请到一款最新的SiC评估板,据说单级PFC的效率达到99%。今天就拿它来做个评测,看看效率是否有声称的那么好。

近几年,在电力电子领域,以SiC和GaN为代表的宽禁带半导体很热。各大科技媒体争相报道它们有这样那样的好处,例如,SiC耐高电压和高温;GaN的开关频率很快,可以缩小变压器尺寸,从而实现小体积…同时,它们还有一个很大的特点,就是高效率——可以轻松满足业界所提出的最新能效要求。HvVednc

前不久,EDN从英飞凌打听到他们家新推出了一款SiC评估板。于是不假思索地向他们提出,能不能拿块过来做个评测,看看效率是否有声称的那么好。英飞凌很爽快地答应了这个请求;一周后EDN就顺利地拿到了板子(如下),在此首先表示感谢!HvVednc

HvVednc

HvVednc

然而,当拿到评估板,根据产品名称“3300 W CCM bi-directional totem pole PFC”查询到应用笔记后,EDN傻了眼,这块板子评测起来至少需要用到交流电源、直流电子负载、功率分析仪/万用表、示波器和热像仪等五种仪器。不得已,只好再次联系英飞凌,看他们深圳办公室的实验室是否能够向EDN开放。HvVednc

该公司在了解到我们的需求后,表示这些东西他们家应有尽有,于是又一次答应了我们的请求,并且还很贴心地给我们配备了一名技术专家——宋清亮(Owen),来协助我们完成评测,在此再次表示感谢!HvVednc

在敲定好拜访时间后,EDN拿着板子来到了英飞凌在深圳的办公室。HvVednc

SiC评估板里的主要子电路和元器件

首先来看一下这款评估板里所包含的主要子电路和关键元器件。HvVednc

HvVednc

首先,这块电路板的右上角是EMI滤波电路,它包含几颗共模电感、安规电容(X和Y)、NTC热敏电阻,以及交流电输入接线端子、保险丝和继电器。左上角的两块子电路板分别是偏置板(辅助电源)和控制板:偏置板是一块准谐振反激式开关电源,用来为风扇、MOS管栅极驱动和控制电路供电;控制板则用来实现电压、电流和极性检测,以及确保无桥图腾柱拓扑能够正确工作。HvVednc

剩余的部分就是无桥图腾柱本身了。它包括PFC扼流圈、大电解电容,以及贴在散热器两边的分别两颗SiC和Si MOS管。HvVednc

宋清亮告诉EDN,前两天他也正好拿到相同的板子,对它进行了测试。他补充说,这个电路板是一级PFC,效率达99%。由于采用了SiC MOSFET作为功率开关,因此使用了电流连续模式(CCM)图腾柱无桥PFC拓扑。这里需要说明的是:由于CCM图腾柱拓扑在每个开关周期内续流管的体二极管都要经历硬换流(二极管在导通过程中由于被突然施加反压而强制关断),因此传统硅MOSFET是无法可靠应用于该拓扑的。HvVednc

由于只有一级PFC电路,因此我们主要可以测的指标有效率、功率因数和发热。HvVednc

各负载点下的效率

首先来看效率——这块板子的满载输出功率为3.3kW,半载时可达最大效率。这里可以用功率分析仪或万用表来测,为了方便,我们选用功率分析仪来测。我们从0.5A输出电流(0.2kW输出功率)开始成倍数地增加负载(详细测试请见视频)。HvVednc

HvVednc

7.5A(3kW)时的效率HvVednc

随后,宋清亮把测试过的效率数据分享给了EDN,如下图所示。两条曲线的数据分别来自功率分析仪和万用表。他告诉EDN,测试仪器有一定误差,这里万用表的精度比功率分析仪要高,所以曲线偏上。由此可见,在半载情况下,这块电路板确实能够达到99%以上的效率。HvVednc

HvVednc

功率因数

下面来用示波器测功率因数(详细测试过程请见视频)。顺便提一下,由于采用图腾柱无桥PFC拓扑,电流可以双向流动,因此有整流器(PFC)和逆变器两种工作模式选择(双向),这也是图腾柱拓扑所固有的特性。HvVednc

在电流值比较小时,电流和电压的相位关系还算不错,但电流波形不太漂亮。随着负载加大,电流的正弦性得到改善,功率因数也就得到提高。HvVednc

HvVednc

发热

最后再来看发热情况。我们把风扇去掉,让板子在满载情况下持续工作,大约20分钟后,温度达到最大值。HvVednc

HvVednc

宋清亮告诉EDN,相比Si和GaN来说,SiC耐高温性能更好,其Rds(on)随温度变化更小,因此在发热测试中所受到的效率损失很小。HvVednc

SiC的频率确实做不到GaN那么高,因此没有体积上的优势。但是,它的特性(易用性)最像IGBT,并且不存在IGBT那样的拖尾电流现象。同时,SiC MOSFET由于开启门限电压较高(~4V),并且在关断过程中由于漏极电压变化引起的dv/dt 在栅极上所引起的感应电压很低,因此采用SiC MOSFET不需要采用负压关断,也就不需要在变压器上多绕一个线圈来提供负压,可以节省成本,这是工程师最喜欢的。此外,IGBT达不到这么高的效率,这就是SiC的优势。HvVednc

另外,他补充道,实际应用的电路板也不一定要做到这么大。比如,这里有四颗电解电容,是为了满足掉电保持时间的要求而设置的——如果没有这方面要求,只要用到两颗就够了。HvVednc

又比如,通常来说,PFC电路是AC/DC电源的第一级,其后往往还有一级隔离的DC-DC电源,因此在实际产品中,PFC的输出是不需要有共模电感的。这块评估板为了测试EMI的性能,在输出增加了共模电感,这就增加了尺寸和降低了效率(共模电感也有功耗)。HvVednc

总之,对于AC/DC电源,如果采用CCM图腾柱拓扑和SiC MOSFET,其PFC级可以实现比评估板还要高的效率和功率密度。HvVednc

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
赵明灿
赵明灿是EDN China的产业分析师/技术编辑。他在电子行业拥有10多年的从业经验。在加入ASPENCORE之前,他曾在电源和智能电表等领域担任过4年的工程师。
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
  • 用碳化硅MOSFET设计一个双向降压-升压转换器 随着电池和超级电容等高效储能设备的大量使用,朝向更好的电流控制发展成为一种趋势。双向DC/DC转换器可以保持电池健康,并延长其使用寿命。
  • 被动元器件价格敏感期,采购/工程师如何做选型替代? 众所周知,工程师参与元器件采购和选型的重要性不言而喻。在评估元器件时,不同的工程师和采购人员考虑的角度各不相同,部分人可能更关心器件的公差,而部分人可能更关心成本,但不容置疑的是,所有的工程师和采购都需要安全和低风险的元器件。
  • 2021年被动元器件“看涨看跌”?分销商如何再造富? 2020年末,芯片和元器件市场缺货、涨价大爆发,被动元器件作为近两、三年的神奇类别,“造富、缺货、替代、寻料、创新”等话题环绕左右,热点不衰!那么,2021年被动元器件供需走势如何?分销商还能再造神话吗?
  • 简化汽车车身电机控制器设计,快速实现轻量化 无论是调整座椅至最佳位置还是能够轻松打开行李箱,车身电子设备系统都可使用电机来提高驾乘人员的舒适性和便利性。MOSFET是控制这些应用的电动装置。但将MOSFET用作开关给电子控制模块设计(包括电磁干扰(EMI)和热管理、电流感应、断电制动以及诊断与保护)带来了新的技术性挑战。
  • 物联网时代,连接器的发展未来是什么? 11月6日,由ASPENCORE主办的2020年“全球分销与供应链领袖峰会”在深圳召开。会上,来自北京京北通宇电子元件有限公司首席科学家顾问宋玉明发表了题为“连接器发展历程与未来趋势”的演讲,通过回顾连接器百年发展历史来看“新常态”下分销行业的未来...
  • 要么数字化,要么被淘汰!供应链转型是大势所趋 “在这个时代,数字化一切和数字化转型是大势所趋,所有行业,包括供应链在内,要么数字化,要么被淘汰。”在ASPENCORE举办的全球分销与供应链领袖峰会上,Sourceability亚太区执行总经理王震旻先生如是说。
广告
热门推荐
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了