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碳化硅如何能够提升开关电源设计

2021-03-25 英飞凌科技资深高级工程师René Mente 阅读:
谈起电源转换器的设计,诸如碳化硅(SiC)等宽禁带(WBG)技术是当今进行器件选择时的现实考虑。650V SiC MOSFET的推出使它们对于某些以前从没有考虑过的应用更具吸引力,这些器件在高效硬开关拓扑结构中表现出非常好的耐用性,因而是实现千瓦级电源解决方案功率因数校正(PFC)应用的理想选择。而且,由于它们还支持更高的开关频率,因此可以选择较小的磁性元件,从而缩小了许多设计的体积。

谈起电源转换器的设计,诸如碳化硅(SiC)等宽禁带(WBG)技术是当今进行器件选择时的现实考虑。650V SiC MOSFET的推出使它们对于某些以前从没有考虑过的应用更具吸引力,这些器件在高效硬开关拓扑结构中表现出非常好的耐用性,因而是实现千瓦级电源解决方案功率因数校正(PFC)应用的理想选择。而且,由于它们还支持更高的开关频率,因此可以选择较小的磁性元件,从而缩小了许多设计的体积。HnCednc

没有免费午餐

尽管宽禁带器件有很多好处,但仅仅通过用SiC MOSFET替换硅基器件留下的空间并不能实现这些优势。工程师需要花一些时间来了解宽禁带器件的特性,以充分利用新器件带来的全部益处,同时还要了解他们各自的局限性和失效模式。CoolSiC器件中体二极管的正向电压比硅MOSFET高四倍,因此LLC转换器在轻负载下效率可能下降0.5%。通过利用沟道进行升压,而不是通过体二极管,还可以实现PFC拓扑架构的高效率。HnCednc

工作温度范围内导通电阻与硅相当

一个关键的比较参数是导通电阻RDSon。硅MOSFET表面的参数看起来比SiC更好,但由于其较低的倍增系数(κ),在100℃时,一个84mΩ的CoolSiC器件与57mΩ的CoolMOS器件具有相同的RDSon(见图1)。与硅MOSFET相比,CoolSiC还具有更高的击穿电压VBRDSS,使其在需要低温环境下启动的应用中非常有益。HnCednc

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1CoolSiC器件温度对RDSon的影响比CoolMOS,因此在典型工作温度范围内导通电阻变化不大HnCednc

EiceDRIVER系列仍然是CoolSiC MOSFET的理想协同器件。但是,为了获得数据表中定义的较低RDSon,需要18V的栅极电压(VGS),而不是硅MOSFET的典型12V。如果选择新的栅极驱动器,则需要选择一个具有13V欠压锁定功能的驱动器,以确保目标应用在异常条件下安全运行。SiC的另一个好处是,在25~150℃之间温度对传输特性的影响有限(见图2)。HnCednc

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2:在25℃(左)150(右)的传输特性表明,SiC器件受到的影响比硅MOSFET很多。HnCednc

避免栅极负电压

栅极负电压会导致SiC MOSFET长期退化,从而导致潜在故障。因此,设计工程师应绝对保证VGS不会在低于-2V以下运行超过15ns。如果发生这种情况,栅极阈值电压(VGSth)的漂移可能会导致在整个应用寿命期间RDSon增大,最终这会导致来之不易的系统效率下降,在许多情况下正是由于高效率才会选择SiC。HnCednc

对于硅MOSFET,通常需要使用一个高值电阻以避免出现负VGS,从而减慢di/dt和dv/dt。但是,对于SiC器件,首选方法则是在栅极和源极之间插入一个二极管电压钳位。如果负电压纯粹是一个电感问题,则强烈建议选择带有开尔文源(Kelvin source)的CoolSiC器件,这可能导致EON损耗比没有它的器件低三倍(见图3)。HnCednc

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3:为避免SiC MOSFET的栅极电压为负,应考虑采用二极管钳位、独立的公共端和开尔文源。HnCednc

实现高于99%的效率

CoolSiC MOSFET的另一个优点是,在漏-源极电压VDS高于50V时,它们具有更高的输出电容COSS,这样可以降低过冲水平,而无需采用栅极电阻。SiC技术的QOSS特性还有利于采用硬开关和谐振开关拓扑架构,原因是所需的放电更少,这会影响连续导通模式(CCM)图腾柱PFC中的Eon损耗。采用48mΩ器件,对于3.3kW CCM图腾柱PFC而言,效率可以达到99%以上(见图4),在双升压(Dual Boost)PFC设计中使用CoolMOS可能获得的最高效率峰值为98.85%。而且,尽管SiC MOSFET的成本较高,但基于SiC的设计总体上更具成本竞争力。HnCednc

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4:即便107mΩ的CoolSiC CCM图腾柱PFC效率也接近99%,大多都超过了最佳CoolMOS双升压PFC方式。HnCednc

结论

SiC MOSFET与同等硅器件相比具有一系列优势,再加上其在硬开关应用中的耐用性,使其在大多数高效功率转换应用中值得考虑。650V CoolSiC系列的推出使SiC MOSFET技术对于那些需要将功率转换效率推向极限的应用更加经济可行。HnCednc

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