【技术】利用500V输入7kW降压型DC-DC转换器的实机验证罗姆第4代SiC MOSFET开关损耗较小特征
罗姆（ROHM）发布了第4代SiC MOSFET，是第3代SiC MOSFET的沟槽栅结构进一步演进，将导通电阻降低约40%，开关损失降低约50%。在本应用笔记中，使用第4代1200V/36mΩ的SiC分立元器件的500V输入7kW输出的降压型DC-DC转换器的实机验证，确认了其有用性，特此报告。
降压型DC-DC 转换器中第４代SiC MOSFET
电路动作原理与损耗解析
对于第3代，第4代SiC MOSFET的开关速度特别有改善。这对减少开关损耗有很大贡献。图3（a）中表示降压型转换器的框图，（b）中表示转换器的开关整体的外观波形。
图3. 降压型DC-DC 转换器（半桥）
如图3（b）所示，转换器中功率器件的损耗包括开关损耗、导通损耗、体二极管损耗、恢复损耗、Coss损耗。（Coss损失较小，故图中未标注出来）关于开关损耗，通常是把单个脉冲的Eon、Eoff能量数据记载在Datesheet中，因此在初期设计阶段进行粗略的损失估计时是很方便的指标。在详细设计中，必须严格算出高电压输入时，高频时的损耗。栅极电压值、栅极驱动器的漏源电阻值、外置栅极电阻值等数Ω的值会在数ns（纳秒）的级别上影响开关时间（Trise/Tfall），使损耗发生了很大的变化，因此进行该栅极驱动器的最佳设计与能否充分利用SiC的高速开关特性紧密相连。
开关损耗仅发生在高边FET（SH）上，以公式（1）表示。下面对其机制进行说明。
在State1中，栅极电压VGS被施加到高侧FET（SH）的SiC MOSFET上，并在State2中超过阈值VGS（th）时，电感器电流开始快速流向SH的通道，直至VGS（on）（Plato电压）为止，仅几ns即可到达负载电流Io。然后，在State3（平台期间）之间通道打开，VDS达到0V。该State2和State3的期间为式（2）所示的导通时的开关时间Trise。式（2）中，State2的电荷量由于通常Datessheet中没有记载，所以从Qgs推定，通过设定系数k调整（通常k是1/3-1/4）。栅极电流Igon是由栅极驱动器电压VGS和栅极导通电压VGS（on）的电位差和介入其中的电阻部分决定的，所以用式（3）给出。公式中，Rsrc是栅极驱动器的源电阻，Rgext为外置栅极电阻、Rgint表示SiC MOSFET内部栅极电阻。
(State4在后面进行说明)
栅极电压降低，进入关断状态（State5-6）。这个Tfall期间用公式（4）表示。注意点是Tfall时段的栅极电流Igoff如式（5）所示，分子只有VGS（on）。一般来说，关断时间会更长一些。式中，Rsnk是同步电阻。
当是电感负载那样的恒流源时，电流波形ID和电压波形VDS变化的时间不重叠，因此式（1）的开关损耗Psw的系数为1/2。另外，在该Trise期间，由于漏源极间容量CossH中储存的电荷在沟道处短路，会产生充放电损耗PcossH（式（6））。
在State4中高边FET（SH）完全开启的期间发生导通损失PcondH（式（7））。此时的有效电流，时比D（=Vo/Vin）通过公式（8）给出。
以上是高边FET(SH)处产生的开关损耗、导通损耗、Coss损耗。
以下是、低边FET(SL)处产生的损耗。
State7、State11以及State1是死区时间期间。低边FET（SL）的体二极管的导通电流会产生损耗（式（9）。
State8-10产生低边FET(SL)的导通损耗(式(10))。此时,实效电流通过公式(11)给出。
低边FET(SL)的Coss的充放电损耗，在SL Turn on时(State 8)Coss已经被电感电流IL已经放电，为ZVS状态(Zero Voltage Switching)，因此通常忽略。
以上是低边FET(SL)处产生的损耗。
在此说明恢复损耗PQrr。发生的时间是State3，是由于低边SL的体二极管的恢复引起的损耗(式(12))。这个损耗由高边FET(SH)和低边FET(SL)分担，为了方便此处合并到高边。
综上所述，高边FET(SH)和低边FET(SL)的综合损耗分别由式(13)和式(14)给出。
特别是关于开关损耗Psw，根据式(2)和(4)，Qgd(对栅极-漏极间电容的米勒平台充电所需的电荷量)越小，Trise/Tfall的时间越短，式(1)的开关损耗Psw被降低。第4代SiC MOSFET相对于第3代Qgd降低了约一半，因此可以减少开关损耗。对转换器的开关频率高频化，负载变化率大，平均来说轻负载运转较多的EV有降低损耗的效果。结果导致续航距离的延长和运行成本的降低。这是使用第4代SiC MOSFET的最大优点。
DC-DC转换器的实机验证
为了确认这点，我们组成下述规格的降圧型DC-DC转换器进行了实机验证。表1是DC-DC转换器和SiC器件的各项参数。用于调整开关速度的外置栅极电阻Rg_ext的数值在权衡了高速开关、振铃以及尖峰之后，取值为3.3Ω。图4是(a)DC-DC转换器电路和(b)半桥部分所用的第4世代SiC MOSFET的评估板(内置去偶电容)，电感L、输出电容Co和输入Bulk电容为外置。
表1.DC-DC转换器规格、SiC器件各项规格
图4.实机验证用降圧型DC-DC转换器电路和第4世代SiC MOSFET评估板
图5是50kHz情况下的Turn on时/Turn off时的VGS、VDS,ID波形。左侧是Turn on时的波形放大。波形可观测到Turnon时上升时间Trise约20ns，非常的高速。图6是该DC-DC转换器的效率、损耗的测定结果。轻负载(1kW附近)时，作为固定损耗的开关损耗，由于第4世代SiC MOSFET开关损耗较小的特征，发挥了显著的作用。而重负载(5kW附近)时，第4世代相对于第３世代损耗也改善了15W以上。图7是转换器损耗的详细理论解析结果，这证明了损耗确实有大约15W的改善。而且，高边FET(SH)的开关损耗和恢复损耗PQrr也大幅降低，这也有助于改善整体损耗。
图5.实测开关波形（500Vin，250Vo/20A(5kW),50kHz）
图6.效率、损耗的测定结果(500Vin，250Vo/7kW,50KHz)
图7.损耗分析结果（计算值）（左：2kW、右：5kW）
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