談起電源轉換器的設計,諸如碳化硅(SiC)等寬禁帶(WBG)技術是當今進行器件選擇時的現實考慮。650V SiC MOSFET的推出使它們對于某些以前從沒有考慮過的應用更具吸引力,這些器件在高效硬開關拓撲結構中表現出非常好的耐用性,因而是實現千瓦級電源解決方案功率因數校正(PFC)應用的理想選擇。而且,由于它們還支持更高的開關頻率,因此可以選擇較小的磁性元件,從而縮小了許多設計的體積。
沒有免費午餐
盡管寬禁帶器件有很多好處,但僅僅通過用SiCMOSFET替換硅基器件留下的空間并不能實現這些優勢。工程師需要花一些時間來了解寬禁帶器件的特性,以充分利用新器件帶來的全部益處,同時還要了解他們各自的局限性和失效模式。CoolSiC器件中體二極管的正向電壓比硅MOSFET高四倍,因此LLC轉換器在輕負載下效率可能下降0.5%。通過利用溝道進行升壓,而不是通過體二極管,還可以實現PFC拓撲架構的高效率。
工作溫度范圍內導通電阻與硅相當
一個關鍵的比較參數是導通電阻RDS(on)。硅MOSFET表面的參數看起來比SiC更好,但由于其較低的倍增系數(κ),在100℃時,一個84mΩ的CoolSiC器件與57mΩ的CoolMOS器件具有相同的RDS(on)(見圖1)。與硅MOSFET相比,CoolSiC還具有更高的擊穿電壓V(BR)DSS,使其在需要低溫環境下啟動的應用中非常有益。
圖1:CoolSiC器件溫度對RDS(on)的影響比CoolMOS小,因此在典型工作溫度范圍內導通電阻變化不大。
EiceDRIVER系列仍然是CoolSiCMOSFET的理想協同器件。但是,為了獲得數據表中定義的較低RDS(on),需要18V的柵極電壓(VGS),而不是硅MOSFET的典型12V。如果選擇新的柵極驅動器,則需要選擇一個具有13V欠壓鎖定功能的驅動器,以確保目標應用在異常條件下安全運行。SiC的另一個好處是,在25~150℃之間溫度對傳輸特性的影響有限(見圖2)。
圖2:在25℃(左)和150℃(右)時的傳輸特性表明,SiC器件受到的影響比硅MOSFET低很多。
避免柵極負電壓
柵極負電壓會導致SiCMOSFET長期退化,從而導致潛在故障。因此,設計工程師應絕對保證VGS不會在低于-2V以下運行超過15ns。如果發生這種情況,柵極閾值電壓(VGS(th))的漂移可能會導致在整個應用壽命期間RDS(on)增大,最終這會導致來之不易的系統效率下降,在許多情況下正是由于高效率才會選擇SiC。
對于硅MOSFET,通常需要使用一個高值電阻以避免出現負VGS,從而減慢di/dt和dv/dt。但是,對于SiC器件,首選方法則是在柵極和源極之間插入一個二極管電壓鉗位。如果負電壓純粹是一個電感問題,則強烈建議選擇帶有開爾文源(Kelvinsource)的CoolSiC器件,這可能導致EON損耗比沒有它的器件低三倍(見圖3)。
圖3:為避免SiCMOSFET的柵極電壓為負,應考慮采用二極管鉗位、獨立的公共端和開爾文源。
實現高于99%的效率
CoolSiCMOSFET的另一個優點是,在漏-源極電壓VDS高于50V時,它們具有更高的輸出電容COSS,這樣可以降低過沖水平,而無需采用柵極電阻。SiC技術的QOSS特性還有利于采用硬開關和諧振開關拓撲架構,原因是所需的放電更少,這會影響連續導通模式(CCM)圖騰柱PFC中的Eon損耗。采用48mΩ器件,對于3.3kWCCM圖騰柱PFC而言,效率可以達到99%以上(見圖4),在雙升壓(DualBoost)PFC設計中使用CoolMOS可能獲得的最高效率峰值為98.85%。而且,盡管SiCMOSFET的成本較高,但基于SiC的設計總體上更具成本競爭力。
圖4:即便107mΩ的CoolSiCCCM圖騰柱PFC其效率也接近99%,大多都超過了最佳CoolMOS雙升壓PFC方式。
結論
SiCMOSFET與同等硅器件相比具有一系列優勢,再加上其在硬開關應用中的耐用性,使其在大多數高效功率轉換應用中值得考慮。650VCoolSiC系列的推出使SiCMOSFET技術對于那些需要將功率轉換效率推向極限的應用更加經濟可行。
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