【经验】SiC续流元件应用在功率转换系统中的系统开关损耗和导通损耗分析
2017年LITTELFUSE公司收购了功率半导体公司ixys，Littelfuse公司从此进入了功率半导体行业，顺应能源发展需求，公司推出了一系列丰富的SiC产品，为产品的开发方案提供新的选择。SiC MOSFET具有开关速度快、损耗低、工作温度高的特点，SiC 二极管具有零反向恢复、容性电荷地的特点，这些特点使得SiC产品迅速地应用于功率转换系统中。
在常见的升降压功率转换系统中，拓扑结构都有一个开关管和一个续流元件，本文将针对三种不同SiC续流元件应用在功率转换系统中，分析在不同条件下系统开关损耗和导通损耗，选型出损耗最低的SiC续流元件。三种不同SiC续流元件分别是SiC肖特基二极管（简称SBD），SiC MOSFET的体二极管（简称MOSFET体二极管），SiC MOSFET反向并联SiC肖特基二极管（简称MOSFET+SBD）。如图1所示三种续流元件电路图。
图1 三种续流元件电路图
针对三种续流元件的动态性能的测试，测试人员设计了一个测试电路板，电路如图2所示，电路采用半桥拓扑结构。图2a所示，使用不同的续流元件，不同的测试条件下，示波器测量半桥拓扑中开关管开通瞬间的电压电流波形；图2b所示，使用不同的续流元件，不同的测试条件下，示波器测量半桥拓扑中续流元件反向恢复时的电压电流波形。如图3所示为测试电路实物图。
图2 半桥动态性能测试电路
图3 测试电路实物图
测试中，SiC肖特基二极管选用littelfuse型号为LSIC2SD120A10，1200V，10A的SIC 二极管，SiC MOSFET 选用littelfuse型号为LSIC1MO120E0080，1200V，80mΩ的MOSFET。测试条件为：开关电压600V，开关电流5～40A，驱动电压+20V/-5V，外部驱动电阻5Ω，测试温度25°C和100°C。如图4为续流元件实物图。
图4 续流元件实物图
测试人员使用专门的脉冲测试仪器，分别在25°C和100°C环境温度下，采用三种不同的续流元件，测得半桥结构中开关管的开通瞬间和续流元件的反向截止瞬间的电压电流转换波形图。如图5所示，（a）为开关管25°C时波形，（b）为开关管100°C时波形，（c）为续流元件25°C时波形，（d）为续流元件100°C时波形。从图中可知，开关管开通波形在25°C时，SBD过冲电流最小，MOSFET体二极管和MOSFET+SBD过冲电流相近，在100°C时，SBD和MOSFET+SBD波形基本不变，受温度影响小，MOSFET体二极管过冲电流增大，对温度较为敏感；续流元件反向截止波形在25°C时，SBD反向电流最小，MOSFET体二极管和MOSFET+SBD反向电流相近，在100°C时，SBD和MOSFET+SBD波形基本不变，受温度影响小，MOSFET体二极管反向电流增大，对温度较为敏感。
图5 电压电流转换波形图
通过进一步的分析数据和波形，测试人员可以计算开关管开通能量损耗和续流元件反向截止能量损耗。如图6所示开关管开通瞬间转换波形，如图7所示续流元件反向截止瞬间转换波形。通过积分公式：
测试人员能够计算转换瞬间中的能量损耗。通过计算测试人员得到图8所示，三者总能量损耗和总电荷对比图。从图中可知，总能量损耗和总电荷，单独SBD都是最小的，MOSFET体二极管和MOSFET+SBD相近，MOSFET体二极管受温度影响，温度升高时两者都明显增大。
图6 开关管导通瞬间转换波形
图7 续流元件反向截止瞬间转换波形
图8 总能量损耗和总电荷对比图
以上测试人员只是计算了系统的开关损耗，实际还要考虑续流元件的稳态导通损耗，单独SBD导通压降较高，导通损耗较大，采用MOSFET+SBD作为续流元件，可以降低导通损耗，系统开关损耗也较低，而且系统可以工作在较高的温度下。选择合适的MOSFET+SBD组合，能够降低系统损耗，同时也会增加系统的成本，需要在成本和效率之间做出权衡。
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产品型号
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品类
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封装形式Package
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阻断电压 Vr(V)
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额定电流IF(A)
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总功耗Ptot(W)
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正向电压Vf(V)
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最高结温℃
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Generation
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KS02065-I
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碳化硅二极管
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SMA
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650V
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2A
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13.5W
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1.4V
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175℃
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第五代
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选型表 - 森国科 立即选型
电子商城
现货市场
服务
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