SiC技术如何改善开关电源转换器设计？ - pcim电力展

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在电源转换器设计中，宽带隙(WBG)技术，如硅碳化物(SiC)，现在已成为组件选择时的现实选择。650V SiC MOSFET的推出使得它们在一些以前不太考虑的应用场合变得更具吸引力。

由于其在高效硬开关拓扑中的卓越鲁棒性，使得它们非常适合用于实现功率解决方案中的功率因数校正(PFC)阶段，尤其是在千瓦级别的应用中。此外，由于支持更高的开关频率，更小的磁性元件成为可能，从而在许多设计中显著减少了体积。

没有免费的午餐 虽然好处众多，但这些好处并不能仅通过将SiC MOSFET直接替换掉硅MOSFET来获得。工程师需要花时间了解这些器件的特性，以充分发挥这一变化的优势，同时还需理解其不同的限制和失效模式。例如，CoolSiC™器件的体二极管正向电压是硅MOSFET的四倍。因此，在轻负载下，LLC转换器的效率可能会下降0.5%。在PFC拓扑中，高效能的实现也需要通过通道而不是体二极管进行提升。

图1

在工作温度下具有与硅相当的导通电阻 其中一个关键的比较参数是导通电阻RDS(on)。从纸面上看，硅MOSFET的表现似乎优于SiC，但由于其较低的倍增因子(κ)，在100°C时，84 mΩ的CoolSiC™器件的RDS(on)与57 mΩ的CoolMOS™器件相当(见图1)。CoolSiC还提供了比硅MOSFET更高的击穿电压V(BR)DSS，这在低温环境下启动的应用中非常有用。

EiceDRIVER™系列依然是CoolSiC™ MOSFET的理想伴侣。然而，为了达到数据表中定义的低RDS(on)，需要18 V的栅极电压(VGS)，而不是硅MOSFET的典型12 V。如果选择新的栅驱动器，建议选择带有13 V欠压锁定功能的驱动器，以确保在目标应用的异常条件下安全操作。SiC的另一个优势是温度对其传输特性的影响在25°C到150°C之间有限(见图2)。

图2

避免负栅压 负栅压可能导致SiC MOSFET的长期退化，进而引发潜在故障。因此，设计工程师应确保VGS在15 ns内不会降到-2 V以下。如果发生这种情况，栅阈电压(VGS(th))可能会漂移，从而导致RDS(on)在应用的整个生命周期内增加。最终，这将导致经过艰苦努力获得的系统效率提升下降，这是选择SiC的主要原因之一。

通常，硅MOSFET会使用高值电阻来对抗负VGS，从而减缓di/dt和dv/dt。然而，对于SiC器件，推荐的方法是在栅极和源极之间插入二极管电压钳制。如果负电压仅是感应性问题，建议选择带有开尔文源的CoolSiC™器件。这可以使EON损耗比没有开尔文源的器件低三倍(见图3)。

图3

突破99%效率 CoolSiC™ MOSFET的另一个优点是，在大约50 V以上的漏源电压(VDS)下，其输出电容COSS较高。这减少了过冲的水平，而无需实现栅电阻。SiC技术的QOSS特性也有利于硬开关和谐振开关拓扑，因为所需的放电更少，这会影响CCM对极PFC的Eon损耗。使用48 mΩ的器件，3.3 kW的CCM对极PFC可以实现超过99%的效率(见图4)，而使用CoolMOS™在双升压PFC设计中的最佳效率峰值为98.85%。尽管SiC MOSFET的成本较高，基于SiC的设计仍然具有更具竞争力的成本。

图4

总结

SiC MOSFET相较于硅替代品提供了一系列优势，加之其在硬开关应用中的鲁棒性，使其在最高效的电源转换应用中值得考虑。650 V CoolSiC™系列的推出，使得SiC MOSFET技术在推动电源转换的极限时更加经济可行。

    文章来源：浮思特科技

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