【導讀】當您設(shè)計新電力電子產(chǎn)品時，您的目標任務(wù)一年比一年更艱巨。高效率是首要要求，但以更小的尺寸和更低的成本提供更高的功率是另一個必須實現(xiàn)的特性。SiC MOSFET 是一種能夠滿足這些目標的解決方案。以下重要技巧旨在幫助您創(chuàng)建基于 SiC 半導體的開關(guān)電源，其應用領(lǐng)域包括光伏系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、電動汽車 (EV) 充電站等。
為何選擇 SiC？
為了證明您選擇 SiC 作為開關(guān)模式設(shè)計的首選功率半導體是正確的，請考慮以下突出的特性。與標準或超級結(jié) MOSFET 甚至 IGBT 相比，SiC 器件可以在更高的電壓、更高的頻率和更高的溫度下運行。其他器件的大部分功率損耗在 SiC 器件中是不存在的，因此 SiC 器件在大多數(shù)應用中的效率可以達到 90% 以上。最初，SiC 器件比其他 MOSFET 或 IGBT 更昂貴。如今，SiC 器件的價格已大幅下降，使其成為一種頗有吸引力的替代方案。
SiC與GaN比較
SiC 和 GaN 器件均屬于寬帶隙 (WBG) 類別的器件，這些器件正在穩(wěn)步取代標準 Si MOSFET。它們可以在更高的頻率下工作，因此 GaN 器件在 RF 功率應用中得到更廣泛的應用。SiC 器件一般能夠承受比 GaN 器件更高的電壓、電流和功率。SiC 器件開關(guān)速度更快，效率更高，因此適合開關(guān)模式電源應用。另外，SiC MOSFET 包含一個體二極管。
性能考量
SiC 的一個重要特性是其熱導率是 Si 或 GaN 的三倍以上。基于 SiC 的產(chǎn)品能夠在高得多的溫度 (+175°C) 下運行，而導通損耗在整個溫度范圍內(nèi)相對平穩(wěn)。另一個性能因素是 RDSon 極低，大約為 15 mΩ 或更小；即使在很高的工作電壓下，它也能達到該規(guī)格水平。這使得功率損耗大大降低，從而提升了效率。
以下幾個重要技巧能夠幫助您在設(shè)計新的電力電子產(chǎn)品時，創(chuàng)建出基于SiC半導體的開關(guān)電源，以更小的尺寸和更低的成本提供更高的功率。
01 拓撲選擇
除了標準半橋和全橋電路外，還有兩種拓撲廣泛用于 SiC 器件。這兩種拓撲是雙向轉(zhuǎn)換器和 Vienna 整流器。雙向架構(gòu)本質(zhì)上是降壓-升壓類型的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器，可以配置為提供兩條不同的電壓總線，并可以根據(jù)需要交換功率。這種架構(gòu)非常適合具有兩條電池總線的車輛，而所有電動汽車和輕度混合動力汽車都有兩條電池總線。理想情況下，這兩條總線可以相互充電。實現(xiàn)雙向轉(zhuǎn)換器的 IC 目前有市售產(chǎn)品。
另一種拓撲是 Vienna 整流器，越來越多的設(shè)計采用這種拓撲。它是一種三相、三電平 PWM 控制的橋式整流器。其主要應用是大功率交流轉(zhuǎn)直流電源中的功率因數(shù)校正 (PFC)。
02 確定電壓和電流需求
在目前 90% 以上的應用中，SiC 器件都可以替代 IGBT。如今，很少有新設(shè)計采用 IGBT。IGBT 可以承受大約高達 1900 V 的高壓，但開關(guān)速度較慢。SiC 器件可以應對高電壓和電流水平，但開關(guān)速度要快得多。SiC 晶體管承受的電壓上限為 1800 V，因此可以很好地替代 IGBT。SiC 不僅有更高的開關(guān)頻率，從而提高性能和效率，而且還能使用更小的封裝。
03 注意柵極驅(qū)動器
相比其他 MOSFET，SiC 晶體管需要更大的柵極驅(qū)動電壓。典型 SiC 晶體管需要 15 V 到 20 V 的柵極電壓才能導通，需要 -3 V 至 -5 V 以關(guān)斷器件。不過，大多數(shù) SiC 供應商已經(jīng)通過特殊柵極驅(qū)動器 IC 解決了這一需求，因此很容易使用 SiC 器件進行設(shè)計。
04 盡可能使用模塊
模塊是一個完整的預接線 MOSFET 電路，其封裝針對尺寸和熱性能進行了優(yōu)化。例如用于驅(qū)動三相電機的三相橋模塊。它連接其他架構(gòu)以創(chuàng)建 DC-DC 轉(zhuǎn)換器或三相整流器。模塊集成了 SiC MOSFET 和 SiC 二極管，以確保導通和開關(guān)損耗較低。這種架構(gòu)在電源產(chǎn)品中實現(xiàn)了高效率和優(yōu)異的可靠性。
模塊包含一個溫度傳感器（如熱敏電阻），用于監(jiān)測熱量水平，并提供某種類型的電路保護或溫度控制。模塊可以顯著縮短設(shè)計時間，并實現(xiàn)更小的封裝。新設(shè)計的理想目標是采用 90% 的模塊和 10% 的其他分立元器件。
05 找到可靠供應商
當使用 SiC 晶體管和電路等復雜器件時，擁有一個不僅可以供應產(chǎn)品，還能提供設(shè)計解決方案、信息和幫助的供應商會很有益。安森美(onsemi)就是這種供應商，它是半導體器件的全方位服務(wù)供應商，具備完整的內(nèi)部端到端供應鏈的優(yōu)勢。
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