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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。hz7ednc

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!hz7ednc

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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。hz7ednc

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!hz7ednc

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。hz7ednc

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。hz7ednc

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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。hz7ednc

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。hz7ednc

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。hz7ednc

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。hz7ednc

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)。hz7ednc

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7.5A(3kW)时的效率hz7ednc

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。hz7ednc

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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。hz7ednc

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。hz7ednc

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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。hz7ednc

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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。hz7ednc

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。hz7ednc

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。hz7ednc

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)。hz7ednc

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。hz7ednc

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。
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