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【技术】适合所有开关电路拓扑的SiC共源共栅器件,实现更高的能量转换效率

2019-01-23 UnitedSiC

将手机充电器从插座上拨下来时,感受充电器的温度就能知道能量转换的效率是多么低下。能量本应该进入手机电池而不是变成热量散发到空气中。半导体企业和电路设计师不断尝试提高能量转换器的效率,即使每次提高看上去都很小,但是能产生很大的积累效果。


能量转换器中所用的开关电路是能量转换损失的一大来源,尤其是在此类电路含有 MOSFET 或 IGBT 时。经验丰富的设计师都知道,许多能量转换器中存在的“硬开关”会导致转变时电压和电流间不可避免地有交叠,而这能导致瞬态高功率损耗。


“软开关”转换器的发展将解决此问题,它尝试在零电压或零电流下转变。此方法的最新成果是LLC 和移相全桥 (PSFB) 电路拓扑,如图 1 所示。

【图 1:LLC(左)和 PSFB(右)转换器】


这些“谐振”转换器利用了一个事实:由于感应器中的电流与其引发的磁场耦合,该电流不能急剧改变。这使得电压转变与电流转变相分离成为了可能,分离后就它们就不会交叠并造成不必要的功率损耗。在将开关变为开态时,使用一种名为零电压开关(ZVS) 的方法能轻易实现这种分离。不幸的是,在将开关变为关态时,这种方法不起作用,因此,设计师将目光投向实现零电流开关(ZCS)。零电流开关的实现很复杂,以致于得不偿失,这意味着通常要使用“硬开关”进行关闭转变。


让 LLC 和 PSFB 转换器变得可行

LLC 和 PSFB 转换器越来越受欢迎的一个原因是 IGBT 和 MOSFET 在硬关闭时产生的损耗过多,而且 IGBT 还有一个长“电流拖尾”问题。快速 MOSFET和采用碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 等材料制成的宽带隙器件的关闭转变速度通常要快得多,并能尽量减小电压交叠和电流交叠,从而减小功率损耗。这使得 LLC 和 PSFB 拓扑成为了传统拓扑的实用替代方案。


由于所有类型的设备都有严格的效率目标,从商业角度看,零点几个百分点的效率提高是有价值的,因此半导体企业正在开发能尽量减小关闭损失的器件。此处的关键性能比较指标是关闭时损耗的能量,即EOFF。这种损耗包括电流/电压交叠损耗和开关输出电容 (COSS) 充电所用能量,交叠会使开关沟道中造成能量损耗。COSS 存储的能量没有全部损失,因为它返回到了大容量电容中,但是其相关的充电和放电电流会产生导电损失。


SiC共源共栅器件能优化转换性能

盛天集团官方网站SiC共源共栅器件的总体 EOFF 极低,相比 IGBT、SiMOSFET 和 SiC MOSFET,该器件中一系列影响效率的参数都展现了更好的性能(见图 2)。这种性能优势是由器件的开关速度和非常低的 COSS 带来的,后者是其相对小的晶片体积产生的作用。SiC共源共栅器件的性能几乎不受温度影响,而 IGBT 的开关损失会随着温度上升而显著增加。

【图 2:SiC 共源共栅器件与其他技术比较】


在开关电路中,整体功率损耗与运行频率和关闭时损耗的能量 EOFF 的乘积成正比。使用 SiC共源共栅器件,设计师可以权衡这些损失与运行频率,以获得最佳系统解决方案。快速的关断速度有助于谐振转换器在更高工作频率下仍然能维持ZVS所需的死区时间。SiC 共源共栅器件有一个非常快的等效体二极管,可帮助提高效率,因为它需要在谐振开关期间导电。


在电路设计中,通常有得必有失,而在 SiC共源共栅器件案例中,可能需要放缓高开关速度,以避免制造电磁干扰。可以提高栅极电阻的值,以对EOFF 的附带影响为代价实现这一目的。图 3 显示的是不同RG 值如何影响 UnitedSiC UJC1206K盛天集团官方网站 器件的EOFF。如果高栅极电阻值会造成不可接受的长时间延迟,设计师可以使用 R-C缓冲电路。设计师也可以通过添加额外的二极管对打开和关闭应用不同栅极电阻值。(见图 4)

【图 3:SiC 共源共栅器件的栅极电阻与 EOFF 之间的关系】

【图 4:添加二极管能够分别控制 SiC 共源共栅器件的开关时间】


在谐振转换器中,开关的输出电容是谐振储能电路的一部分。在选定的谐振频率下,存在高电容就需要使用可能不受欢迎的低电感。这是为什么?因为在LLC 转换器中,这可能导致高循环磁化电流,这不会导致能量传输但是会产生导电损失,从而降低整体转换效率。SiC共源共栅器件的 COSS 值低,这意味着设计师如果想就可以利用这个较低的电容,但是要在必要时增加独立电容,处理这种独立电容要比尝试降低高内部COSS 简单得多。


转为共源共栅器件转换

SiC共源共栅器件的高开关速度、快速体二极管、高运行温度、低RDS(ON) 和坚固性使其成为了一个适合所有开关电路拓扑的优秀解决方案。它们的低 EOFF 还使其与最新高效 LLC 和PSFB 转换拓扑非常相配。随着行业不断努力实现每一点效率提升,现在是时候考虑使用共源共栅转换了。

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  • 桃梅 Lv7. 资深专家 2019-02-13
    学习了
  • ACE Lv5. 技术专家 2019-02-03
    学习了
  • terrydl Lv8. 研究员 2019-01-29
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