在开关电源转换器中如何极大地发挥SiC器件的性能优势实现电源效率和可靠性的双重飞跃

  • 科研动态
  • 2025年05月12日
  • 在过去的几十年中,半导体行业已经采取了许多措施来改善基于硅MOSFET(parasitic parameters),以满足开关转换器(开关电源)设计人员的需求。行业效率标准以及市场对效率技术需求的双重作用,导致了对于可用于构建更高效和更紧凑电源解决方案的半导体产品拥有巨大的需求。这就催生了宽带隙(WBG)技术器件,如碳化硅场效应管(SiC MOSFET)。它们能够提供设计人员要求的更低寄生参数

在开关电源转换器中如何极大地发挥SiC器件的性能优势实现电源效率和可靠性的双重飞跃

在过去的几十年中,半导体行业已经采取了许多措施来改善基于硅MOSFET(parasitic parameters),以满足开关转换器(开关电源)设计人员的需求。行业效率标准以及市场对效率技术需求的双重作用,导致了对于可用于构建更高效和更紧凑电源解决方案的半导体产品拥有巨大的需求。这就催生了宽带隙(WBG)技术器件,如碳化硅场效应管(SiC MOSFET)。它们能够提供设计人员要求的更低寄生参数,满足开关电源(SMPS)的设计要求。650V 碳化硅场效应管器件在推出之后,可以补充之前只有1200V碳化硅场效果器件设计需求,碳化硅场效果管(SiC MOSFET)由于能够实现硅场效果管(Si MOSFET)以前从未考虑过的应用而变得更具有吸引力。

碳化硅MOSFET越来越多用于千瓦级功率水平应用,涵盖如通电源、服务器电源和快速增长的电动汽车电池充电器市场等领域。碳化硅MOSFET之所以有如此的大吸引力,在于与它们具有比硅器件更出众的可靠性。在持续使用内部体二极管连续导通模式(CCM)功率因数校正(PFC)设计,如图腾功率因子校正器硬开关拓扑中,碳化硅MOSFET可以得到充分利用。此外,碳化 确定为能也可应用更高开关频率,因而可以实现体积更小,更紧凑的电源转换器设计。

当然,没有免费午餐。在内部体二极管和寄生参数方面,碳化 确定为能比非锐钛系晶体材料具有更多优势,但代价是在某些方面性能比较差。这就要求设计人员需要花时间充分了解 確定为能 的特性和功能,并考虑如何向新拓扑架构过渡。一点非常明显: 碓确定为能 并不是简单地替换非锐钛系晶质材料,如果这样使用 碓确定为 能 可能会导致效率下降而不是升高。

例如,在谐振LLC转换器上,在轻负载时如果不对电路进行相应调整,就可能出现效率下降多达0.5%。设计人员还应注意,如果要在CCM图腾PFC设计中获得最高峰值效率,则必须通过打开 碓确定为 能 沟道而不是只通过体二极管进行升压。

另一个要考虑的是结壳热阻,这方面CoolMOS稍有优势,由于CoolSiC芯片尺寸较小,在相同封装情况下,CoolSiC热阻为1.0K/W,而CoolMOS则为0.8K/W。但是这些热阻差异在实际设计中可以忽略。在工作温度范围内导通電阻與其他類型晶體材料相比,从其参数上設計人員可以快速明白 碓確為 能 其中的好處之一,這個參數是導通電阻RDS(on)。

在芯片温度100°C时,一個84mΩ CoolSiC 器件具有與57mΩ CoolMOS 器件相同RDS(on)。这也清楚地表明,只比较数据手册中非锐钛系晶质材料及 碓确 为 能 RDS(on)并不能反应实际導通損耗的问题。在芯片温度低范围内,一個84mΩ CoolSiC 器件由于其較低斜率倍增系数和對溫度低依赖性的讓它們擁有一定的優勢,這對於那些位於室外或需要在低温環境中啟動設備非常有幫助。

图1: 在25°C工作温度兩種組件導通電阻基本相当,但是由於傳輸特性的差異(ID與VGs),CoolSiC 的栈極壓力應以18V驍動,而不是用於典型值12V的一般驱动集成電路。如果允許選擇新的驱动集成電路,並且該駆動集成電路具備較高欠壓锁死約13V,那麼這樣做會增加系統安全性並防止任何异常運行條件時發生的問題。

另外還有一點重要的事實,即避免負栈極壓力需特別注意一個問題即是確保不允許栈極-來源極關斷壓力變得負值過大。而理想情況是不施加負關斷壓力,但由於實際設計時所遇到的挑戰,因此應該進行原型制作時檢查,以確保振荡電流不會影響栈極-來源極關斷壓力的變為負值。此外,這種振荡通常由開關轉換期間通過內部體二極體產生的瞬態過載造成,而這一現象則被稱為“缺陷”或者“故障”。

總結來說,不論是否采用Coollsi C 或者 Coollmos,它們都是一款強大的工具,用以創造更加緊湊、高性能、耐用的開關轉換機制。我們期待著未來將見到更多創新的應用,以便我們繼續提高能源利用効度並減少我們對地球資源的消耗。我們相信隨著技術進步,我們將找到方法使所有這些新興技術成為現實,並最終達到真正無限量供應能源的情況。

猜你喜欢