【应用】1.7kV JFET UF3N170400用作反激式公用电源中的主电源开关，提供良好的效率并简化启动电路

时间： 2019-11-17 来源：UnitedSiC

技术问答

快速开关WBG器件的出现极大地增强了一系列功率转换电路的功率密度，例如有源整流器，LLC桥，相移全桥，双有源桥等。这些电路构成了用于电动汽车，叉车，太阳能逆变器和电源（尤其是功率密度至关重要）的电池充电器中高效AC-DC和DCDC级的骨干。

除了高功率密度，SiC还吸引了诸如储能，太阳能逆变器和高压牵引等高电压应用。对于这些应用，直流电压可以轻松达到1000VDC以上，交流电压可以在480VAC至530VAC之间变化。这样的高功率和高压系统通常由低得多的电压的电路控制。微处理器，通信协议，冷却风扇和传感器需要各种低电压。产生这些电压的常见方法是采用反激拓扑。但是，与SiC器件相比，大多数基于Si的器件具有较低的电压应力设计余量。使用基于Si的器件可能会对反激转换器的可靠性产生负面影响，这对于上述高压应用的安全运行至关重要。此外，SiC器件具有较低的导通电阻（Rdson）和更快的开关速度，从而带来了更高的效率。

UnitedSiC率先推出了基于FET的SiC JFET，其基于5V阈值电压和+/- 25V的宽栅极工作范围，与Si MOSFET，IGBT和SiC MOSFET的兼容性较好。这些器件具有固有的极快开关速度，并具有出色的体二极管特性。本文中，将一个1.7kV离散SiC JFET-UF3N170400与一个共源共栅配置的30V Si MOSFET用作反激式公用电源中的主电源开关。 JFET不仅可以提供良好的效率，而且还可以通过将启动电路的高压传输元件增加一倍来简化启动电路。

反激转换器

图1是本方案中实现的公用电源的示意图。 200 V至1000 V的宽输入电压产生+ 12，-12和+ 5V的稳定输出电压。

图1

在此方案中，+ 5V和-12V输出为低电流（<1 Amp），并可以选择SOT-223 LDO后置稳压器。除非另有说明，否则在所有效率测量中，在+ 5V输出上使用LDO，并且在+ 12V输出上调节-12V。+12V输出通过TL-431 /光耦合器直接调节到UCC38C41 PWM控制器，以保持严格的调节，同时提供良好的一次到二次隔离。印刷电路板的布局可承受各种负载，因此可以进行修改以满足不同的规格。

功率切换

电源开关包括一个400mΩ，1.7 kV SiC JFET（UF3N170400）和一个60mΩ，30 V的共源共栅配置的MOSFET。可以使用标准驱动器（0V至10V）来驱动低压MOSFET。因此，就像碳化硅MOSFET一样，人们可以利用碳化硅而不必提供负栅极驱动或高栅极电压（> 18V）来切换器件。

启动电路

级联的独特优势之一是简化了转换器的启动。在典型的高压启动电路中，需要第二个高压设备来提供+ 12V电压，以提供电源给控制器，以及在转换器运行后继续消耗功率的偏置电阻。在这种共源共栅配置中使用高压JFET可以解决该问题。当共源共栅在启动时处于截止状态时，MOSFET的漏极电压将保持在JFET阈值电压的倒数左右。该电压可用于为转换器的控制电路供电，直到调节辅助绕组为止。在图1中，电阻器和二极管用于将MOSFET电压连接至控制电路。

要成功实施此启动，需要满足几个条件。最关键的项目是控制电路的欠压锁定（UVLO）。控制电路的UVLO必须低于JFET阈值绝对值，否则该启动电路将无法工作。在此设计中，使用的UVLO为7.0伏的UCC38C41。反激系列具有VTH为-9V的第3代JFET。

下一个考虑因素是未上电时控制电路的阻抗，相对于输入电压的JFET和MOSFET VDS阻抗，以及它们对稳态MOSFET VDS的影响。这似乎很复杂，但是一种简单的方法是在禁用MOSFET栅极的同时，在所需的Vin范围内测量级联MOSFET VDS，并将VDS与控制器UVLO进行比较。如果有足够的“头部空间”，则该方法可行。电路中的R3也可以改变以影响启动电压。为了进行验证，Vin升至200V，图2捕获了电源开始开启时的电压，该电压为50V。

图2

性能

图3是整个输入范围（200至1000伏）下35W和55W的转换器效率。

图3

通过改变较高电流+12伏输出上的负载来改变功率电平，而+ 5V输出固定为1.25瓦，而-12V输出固定为8瓦。开关频率为74 kHz。在低线时，两种功率水平的效率都大于85％，而在高线时，效率下降了81％至82％。

负载和线路调节

高电流+ 12V输出由TL-431使用CNY17F光电耦合器调节，以保持初级侧和次级侧之间的隔离。在图4中绘制+ 12V输出电压与输入电压的关系图，在每个给定功率水平下测得的线路调整率为0.09％，两个负载值之间的输出电压差异为0.08％的变化量。

图4

输出纹波

在反激式电源中，由设计人员决定是否在输出端使用LC滤波器。在这种情况下，初始设计中不使用LC滤波器。图5显示了在经过光电调节的+12 V输出（3 Amp）上测得的200 mV pk至pk的输出纹波。由于这等于1.67％的纹波百分比，在大多数纹波要求中应该可以接受，LC滤波器在以后的电路板修订版中未添加。

图5

变压器

本设计中的反激变压器（耦合电感器）使用了爱普科斯（EPCOS）间隙罐形磁芯（B65813J160A87）。初级绕组为46匝25 AWG。次级输出为+ 12V（4匝18 AWG），-12V（4匝22 AWG），+ 5V（2匝22 AWG）和+ 12V辅助绕组（3.5匝22 AWG）。

为了最大程度地减小漏感，将初级绕组的前23匝缠绕到绕线架上，然后将次级绕组跨接在绕线架上成单层。然后添加初级的最后23匝。实现磁性设计有很多方法。

总结

此应用方案表明，以共源共栅配置使用的高压SiC JFET不仅可以为高压反激转换器提供高效率，而且还可以简化启动电路，从而减少部件数量，电路板空间和所有相应的成本。

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