【应用】C2M0080120D碳化硅MOSFET在DC/DC Boost电路设计中优势

时间： 2019-11-27 来源：Wolfspeed

技术问答

碳化硅（SiC）器件制成的功率变换器具有更高的阻断电压，更低的导通电阻和更高的导热性，因此有望实现更高的功率密度。在可用的SiC器件类型中，与SiC JFET或SiC晶体管相比，N沟道增强模式SiC MOSFET具有结构简单，易于设计和低损耗的优势，因此在取代传统Si MOSFET或Si IGBT方面具有最大的兼容性。

WOLFSPEED（Cree Inc.旗下）在2013年3月商业发布了下一代SiC MOSFET C2M0080120D，其参数优于第一代SiC MOSFET。下图是C2M0080120D的外观和内部电路结构。器件采用全新C2M SiC MOSFET技术，具有更高的系统效率，更高的功率密度和更高的系统开关频率。MOSFET可应用于太阳能逆变器，高压DC/DC变换器等领域。本文主要介绍C2M0080120D碳化硅MOSFET 在DC/DC Boost电路设计中的应用优势。

图1 产品外观图和内部电路图

图2是基于C2M0080120D等SiC 器件设计的交错式升压变换器电路框图。在这种配置下，交错式变换器架构的每个通道均包含一个SiC 1200V / 20A 80mohm MOSFET（C2M0080120D）和一个SiC 1200V / 10A肖特基二极管（C4D10120D），以实现10KW升压功能。由于全部采用SiC功率器件，因此变换器可以在高频下工作以实现高功率密度。此外，全SiC变换器采用交错式拓扑设计，具有更少的组件，这对于电力电子行业来说是一个巨大的突破。

图2 基于C2M0080120D等SiC器件设计的交错式升压变换器电路框图

下表比较了第二代SiC MOSFET C2M0080120D和第一代SiC MOSFET CMF20120D的关键参数。通过比较可以发现，新一代C2M0080120D具有低电容且开关损耗较小等优势。同时，其导通态电阻在结温下具有更好的正系数，这使得新型SiC MOSFET可以在多个器件并联时获得更好的散热效果。综合比较来看，新型SiC MOSFET都将允许高频系统实现高功率密度和高效率。

表1 SiC MOSFET参数比较

下图为10KW硬开关交错式Boost DC / DC转换器实物图，用于验证第二代1200V / 20A SiC MOSFET的特性。 PCB板尺寸为240mm x 140mm x 90mm。此外，控制器为TI交错式PWM控制UCC28220，栅极驱动IC为IXYS IXDN609。

图3 10KW硬开关交错式Boost DC / DC变换器实物图

下面显示了使用100KHZ的SiC MOSFET（第一代SiC MOSFET CMF20120D和第二代SiC MOSFET C2M0080120D）和20KHZ的Si IGBT（IGW40N120H3）进行的效率测试数据。两种开关器件使用的输出二极管均为Cree 1200V SiC肖特基二极管C4D10120D，可确保公平比较，所有数据均基于2Ω的外部栅极电阻。从测试结果可以明显看出，即使开关频率为五倍，SiC解决方案在100KHz时仍可实现99.3％的最大效率，与IGBT解决方案在20KHz时的最佳效率相比，损耗降低了18％。通过比较，可以发现基于硅IGBT的功率变换器设计换成基于SiC，都可以获得效率和频率优势。

图4 效率比较

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