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设计之初直接用碳化硅器件,可节能、提高功率转换效率、减少设计尺寸一举三得

2021-11-29 UnitedSiC公司 阅读:
以往,功率转换器效率的提高是难以实现和测量的。SiC FET则能保证让所有设计都能得到提高。

以往,功率转换器效率的提高是难以实现和测量的。SiC FET则能保证让所有设计都能得到提高。vVvednc

更高的效率无疑是一个优势,但是有时候“更高”的陈述是不准确的,比如:家庭电子器件散发“更高”的热量可以减轻您的中央供暖工作在寒冷气候中的工作量,也许会带来能量使用和成本方面的整体好处,还可以采用效率相对低效的锅炉。如果用“更高”来描述白炽灯,它可以在您需要温暖时成为非常高效的加热器。vVvednc

不过另一些用户确实看到了巨大的好处。在热带和亚热带,“更高”的热量会增加空调的工作量,从而增加成本。比如数据中心目前消耗的电量占全球电力需求的1%以上,而每个百分比的能效提高都代表巨大的成本节省和减少环境影响。有时候,效率“更高”会达到“临界点”,从该点开始,好处会成倍增加。以电动车为例,改进意味着功率转换器更小更轻,从而会导致能量需求更小,单次充电行驶里程更长。vVvednc

因此,工程师们对于提高几个小数点的能效有着不懈的追求,他们常常要判断冒险采用有望带来一点改进却不熟悉的新拓扑设计,能否在某些任意时间尺度上带来总体拥有成本降低。在提高效率时,工程师们还要安慰自己,还有一种提高更困难,如果效率已经达到99.5%左右,则在测量功率输入和输出时,一个已经很好的±0.1%误差就可能意味着计算得到的损耗会比实际损耗多或少40%。如果输入功率为交流电,有失真,且功率因数不够完美,同时直流功率输出具有残余噪声分量,可让数字式电压表出错,则情况还会变得更差。现在普遍借助测热法来测量实际热放出,而不是根据电子器件测量值进行推测。vVvednc

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1. 即使±0.1%的测试设备准确率误差也会高效率下效率测量准确性产生很大的变化vVvednc

一个可提高功率转换器效率且风险相对较低的选择是仅改进现有设计中的半导体。基于MOSFET的转换器可以升级为使用导通电阻较低的较新器件,也许新器件对开关能量的要求也较低,并适当考虑电磁发射的变化。然而,要利用SiC MOSFET或GaN HEMT单元等最新的宽带隙器件,就必须对电路进行较大的更改,尤其是对栅极驱动。如果现有电路是基于IGBT的,则您要完全从头设计才能利用宽带隙器件。vVvednc

栅极驱动与电压等级有关,为了实现全面增强,SiC MOSFET需要开态驱动,它会显著高于Si-MOSFET的驱动,并有接近器件绝对最大额定值的危险,必须谨慎地进行限制。开态和关态之间的高压摆也需要一定的驱动功率,因为在每个周期内栅极电容都会充电和放电。另外,阈值电压是可变的并有迟滞现象,从而使得最佳栅极驱动难以实现。某种方面来说,GaN HEMT单元完全相反,它的栅极阈值电压和绝对最大值非常低,因而也必须谨慎控制驱动电路,避免过应力和故障。vVvednc

如果功率转换器电路需要反向导电或第三象限导电,则SiC MOSFET中体二极管的特征十分重要,可能会由于显著的恢复能量和前向压降而导致过多损耗。GaN器件没有体二极管,并通过沟道反向导电,但是在通过栅极驱动有效增强沟道前,在死区时间内会有高压降。如果栅极电压在关态时为负,则“整流”期间的压降会更高。vVvednc

想要面面俱到就要考虑使用SiC FET,它是Si-MOSFET和SiC JFET的共源共栅结合的产物。该器件有Si-MOSFET的简单非临界栅极驱动,但是性能表征RDS(on) x A和RDS(on) x EOSS比SiC MOSFET和GaN HEMT单元好。它有固有且稳健的雪崩能力和自限制短路电流,且体二极管效应类似于具有前向压降并能快速恢复的低压Si-MOSFET。这些意味着SiC FET通常可以简单地直接插入Si-MOSFET插槽,甚至是IGBT插槽,来立即提升效率。无法控制SiC FET的速度,以便如同其他技术一样通过调整栅极驱动电阻来限制电磁干扰和应力,但是对于这些超快的器件,与器件简单并联运行的小缓冲电路可有效地限制过冲和振铃。当更换IGBT时,开关频率可以提高,且不会产生不当的动态损耗,从而获得更小、更轻、更便宜的磁性元件带来的好处。vVvednc

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