碳化硅如何改进开关电源转换器设计？

时间： 2024-05-11 来源：TOPPOWER（顶源科技）官网

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在设计电源转换器时，碳化硅(SiC)等宽带隙(WBG)技术现在是组件选择过程中的现实选择。650V SiC MOSFET的推出使其对于以前未考虑过的应用更具吸引力。

它们在高效硬开关拓扑中具有卓越的鲁棒性，使其成为实现千瓦级电源解决方案的功率因数校正(PFC)级的理想选择。而且，由于支持更高的开关频率，更小的磁性元件成为一种选择，为许多设计带来可喜的体积减小。

天下没有的午餐虽然好处很多，但仅仅通过将SiC MOSFET放入去除硅等效物留下的间隙中并不能实现这些好处。工程师需要花时间了解它们的特征，以充分利用变革，同时还要了解它们不同的局限性和故障模式。CoolSiC器件中体二极管的正向电压是硅MOSFET的四倍。因此，LLC转换器在轻负载时效率可能会下降0.5%。PFC 拓扑的高效率还可以通过通道而不是体二极管升压来实现。

在工作温度下，导通电阻与硅相当一个关键的比较参数是导通电阻RDS(on)。硅MOSFET表面上看起来比SiC更好，但由于其倍增系数(κ)较低，84mΩ CoolSiC器件在100°C下可实现与57mΩ CoolMOS器件相同的RDS(on)（图1）。CoolSiC还提供比硅MOSFET更高的击穿电压V(BR)DSS，这对于在低温环境下启动的应用非常有用。

图1：Cool-SiC的温度对RDS(on)的影响低于CoolMOS，因此在典型工作温度下具有相似的导通电阻。

EiceDRIVER系列仍然是CoolSiC MOSFET的理想伴侣。然而，为了实现数据表中定义的低RDS(on)，需要18V的栅极电压(VGS)，而不是硅MOSFET的典型12V。如果选择新的栅极驱动器，值得选择具有13V欠压锁定功能的栅极驱动器，以确保目标应用异常条件下的安全运行。SiC的另一个优点是温度对25°C至150°C之间传输特性的影响有限（图2）。

避免负栅极电压负栅极电压可能会导致SiC MOSFET的长期退化，从而导致潜在故障。因此，设计工程师应确保VGS不会在超过15ns的时间内降至-2V以下。如果发生这种情况，可能会导致栅极阈值电压(VGS(th))发生漂移，从而在应用的整个生命周期内增加RDS(on)。终，这会导致来之不易的系统效率提升下降，而这正是许多情况下选择SiC的关键原因。

图2：25°C（左）和150°C（右）的传输特性对SiC器件的影响明显低于硅MOSFET。

高值电阻器通常与硅MOSFET一起使用，以对抗负VGS，从而减慢di/dt和dv/dt。然而，对于SiC器件，方法是在栅极和源极之间插入二极管电压钳位。如果负电压纯粹是电感问题，强烈建议选择具有开尔文源的CoolSiC器件。这可能导致EON损耗比没有它的设备低三倍（图3）。

图3：为了避免SiC MOSFET的栅极变为负值，应考虑二极管钳位、单独的公共端和开尔文源。

效率超过99% CoolSiC MOSFET的另一个优势是在漏极-源极电压VDS高于50V左右时具有更高的输出电容COSS。这可以降低过冲水平，而无需实现栅极电阻。SiC技术的QOSS行为也有利于硬谐振开关拓扑，因为需要更少的放电，这会影响CCM图腾柱PFC中的Eon损耗。使用48mΩ器件，3.3kW CCM图腾柱PFC的效率可达到99%以上（图4），其中在双升压PFC设计中使用Cool MOS的效率峰值可达98.85%。而且，尽管SiC MOSFET的成本较高，但基于SiC的设计更具成本竞争力。

图4：即使是107 mΩ CoolSiC CCM图腾柱PFC的效率也接近99%，基本上优于的CoolMOS双升压PFC方法。

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XXL1509是一款高效降压型DC-DC电源转换器，固定150KHz开关频率，可提供3A输出电流能力，具有低纹波，出色的线性调整率与负载调整率特点。XXL1509内置固定频率振荡器与频率补偿电路，简化了电路设计。

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