工業(yè)設備輔助電源驅動(dòng)用的SiC電源解決方案

　　前言

　　包括光伏逆變器、電氣驅動(dòng)裝置、UPS及HVDC在內的功率轉換系統，需要柵極驅動(dòng)器、微控制器、顯示器、傳感器及風(fēng)扇來(lái)使系統正常運行。這類(lèi)產(chǎn)品需要能夠提供12V或24V低電壓電源的輔助電源。輔助電源則需要輸入通常工業(yè)設備所使用的三相400/480V AC電源、或太陽(yáng)能光伏逆變器所使用的高電壓DC電源才能工作。本文將介紹融入了ROHM的SiC技術(shù)優(yōu)勢且設計簡(jiǎn)單、性?xún)r(jià)比高的電源解決方案。

　　小型輔助電源用SiC MOSFET

　　圖1是輔助電源所用的普通電路。在某些輸入電壓條件下，MOSFET的最高耐壓需要達到1300V。為了確保安全，需要一定的電壓余量，因此一般來(lái)講至少需要使用額定電壓1500V的產(chǎn)品。當然也可以使用具有同樣絕緣擊穿電壓的Si MOSFET，但損耗將變大，故而需要昂貴且厚重的散熱器。

　　圖1. 普通反激式轉換器方式的輔助電源拓撲

　　另外還有使用更復雜的拓撲結構(雙端反激式轉換器方式、低電壓器件串聯(lián)等)而不使用1500V MOSFET的做法。但是，這些做法不僅會(huì )增加設計難度，還會(huì )使部件數量增加。

　　如果使用特定導通電阻僅為1500V Si-MOSFET的1/2(參見(jiàn)圖2)的1700V SiC-MOSFET，則輔助電源的設計者們將能夠使用簡(jiǎn)單的單端反激式轉換器的拓撲，從而獲得小巧的身材和良好的性能。ROHM擁有完全塑封的TO-3PFM封裝以及表面貼裝型封裝(TO-268-2L)技術(shù)，并提供適用于此類(lèi)應用的高耐壓SiC-MOSFET。這些產(chǎn)品的特點(diǎn)是分別可確保5mm和5.45m的爬電距離。

　　圖2. 特定導通電阻條件下的Si和SiC MOSFET性能比較

　　極具性?xún)r(jià)比且實(shí)現SiC單端反激式拓撲結構的控制IC

　　采用了SiC-MOSFET的反激式轉換器的輔助電源解決方案，因采用了ROHM的控制IC而更具魅力和吸引力。這種控制IC的設計利用反激式轉換器安全可靠地驅動(dòng)SiC-MOSFET，而且不會(huì )因柵極驅動(dòng)器IC而變得復雜。

　　ROHM針對目前可入手的幾款SiC-MOSFET，開(kāi)發(fā)出特別滿(mǎn)足各元器件柵極驅動(dòng)所需條件的準諧振AC/DC轉換器控制IC“BD768xFJ”并已實(shí)施量產(chǎn)。這款控制IC與ROHM的1700V耐壓SiC-MOSFET相結合，可以最大限度地發(fā)揮產(chǎn)品的效率與性能。BD768xFJ不僅可控制所有的反激式電路，還能夠以適當的柵極電壓驅動(dòng)SiC-MOSFET，從而保證最佳性能。此外，還可通過(guò)柵極箝位功能和過(guò)載保護功能來(lái)保護SiC-MOSFET。

　　BD768xFJ這款控制IC，采用小型SOP8-J8封裝，具備電流檢測用的外置分流電阻和過(guò)負載、輸入欠壓、輸出過(guò)電壓保護等保護功能以及軟啟動(dòng)等功能。搭載了準諧振開(kāi)關(guān)，以在全部工作范圍內將EMI抑制在最低水平，并降低開(kāi)關(guān)損耗。另外，為了優(yōu)化在低負載范圍的工作，控制器還安裝了突發(fā)模式工作和降頻功能。

　　下圖中是采用了BD768xFJ控制IC和ROHM生產(chǎn)的1700V耐壓SiC-MOSFET的輔助電源的主要電路，簡(jiǎn)單而又高性能。

　　圖3. 使用了BD768xFJ控制IC和1700V耐壓SiC-MOSFET的輔助電源電路

　　使用了SiC-MOSFET的輔助電源的性能

　　ROHM為了便于對使用了SiC-MOSFET的簡(jiǎn)單輔助電源的性能進(jìn)行評估而專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了評估板(參見(jiàn)圖4)。這款評估板為了在準諧振開(kāi)關(guān)AC/DC轉換器中驅動(dòng)1700V耐壓SiC-MOSFET“SCT2H12NZ”而使用了BD768xFJ-LB。準諧振工作有助于將開(kāi)關(guān)損耗控制在最低并抑制EMI。電流檢測通過(guò)外置的電阻器進(jìn)行。另外，通過(guò)使用輕負載時(shí)的突發(fā)模式工作和降頻功能，還可實(shí)現節能化與高效化。

　　圖4. 使用了SiC-MOSFET的輔助電源單元用評估板

　　SiC-MOSFET的開(kāi)關(guān)波形如圖5所示。通過(guò)不同輸出負載的波形可以看出在接通SiC-MOSFET時(shí)諧振漏源電壓如何變化。采用準諧振工作，可最大限度地降低開(kāi)關(guān)損耗和EMI。輕負載時(shí)(Pout = 5W時(shí)，左圖)的突發(fā)工作模式結束后，轉為準諧振工作模式。通過(guò)跳過(guò)很多波谷來(lái)控制頻率。當輸出負載増加(Pout = 20W時(shí)，中圖)時(shí)，波谷數量減少，頻率上升。當接近規定的最大輸出負載(在這種情況下Pout = 40W，右圖)時(shí)，將只有一個(gè)波谷。此時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率達到最大值120kHz。

　　另外，為了延長(cháng)一次側的開(kāi)關(guān)導通時(shí)間，可以稍微降低開(kāi)關(guān)頻率并提高輸出功率的要求。這樣，一次側電流峰值增加，傳輸的能量也增加(Pout = 40W時(shí))。當超過(guò)最大輸出功率時(shí)，過(guò)電流保護功能工作并阻止開(kāi)關(guān)動(dòng)作，以防止系統過(guò)熱。

　　圖5. 準諧振工作時(shí)的SiC-MOSFET開(kāi)關(guān)波形

　　首先，評估板因有兩個(gè)工作點(diǎn)而以電流不連續模式(DCM)工作。然后，在最后一個(gè)工作點(diǎn)(40W)時(shí)正好達到電流臨界模式(BCM)。根據不同的輸入電壓，DCM和BCM在不同的輸出功率進(jìn)行切換。

　　圖6左側是對于不同的輸入電壓，在最大40W的負載范圍輸出12V電壓時(shí)的效率。如圖6右側所示，通過(guò)測量可知SiC-MOSFET的外殼溫度保持在90℃以下。SiC-MOSFET的最大容許結溫為175℃。芯片-外殼間的熱阻遠遠低于外殼-環(huán)境間的熱阻，因此只要是結溫低于上限值的外殼即可以說(shuō)是安全的。這表明該評估板即使在高達40W的輸出功率條件下，無(wú)需散熱器也可工作。另外，如果對SiC-MOSFET增加散熱器來(lái)冷卻輸出整流二極管，則可以實(shí)現更高的輸出功率。

　　圖6. 使用了SiC-MOSFET的輔助電源單元評估

　　這里給出的是各DC輸入電壓的測量值，利用400 / 480V的三相AC電源也可運行評估板。PCB上安裝了整流所需的二極管電橋。

　　利用SiC-MOSFET技術(shù)，可實(shí)現小型化并提高系統效率、可靠性及簡(jiǎn)潔性

　　在需要幾十瓦的簡(jiǎn)單且性?xún)r(jià)比高的三相輸入用單端反激式解決方案和超過(guò)400V的DC輸入電壓條件下，Si-MOSFET并不適用。因為大電壓Si功率MOSFET的性能較低。另外，使用雙端反激式或堆疊式MOSFET等設計復雜結構的輔助電源，是非常費時(shí)費力的。這部分精力應該用在主電源系統的設計上。

　　利用1700V SiC-MOSFET的優(yōu)異性能和BD768xFJ控制IC，不僅能夠設計三相系統用或高DC輸入電壓用的簡(jiǎn)單輔助電源，而且還可以發(fā)揮出卓越的性能。 利用基于SiC-MOSFET的技術(shù)，設計人員可提高產(chǎn)品的效率、簡(jiǎn)潔性、可靠性并實(shí)現小型化。1700V SiC-MOSFET在性能方面的優(yōu)勢可以與使用了Si-MOSFET的解決方案系統的成本相匹敵，比如可削減散熱器、線(xiàn)圈等昂貴部件的成本。經(jīng)過(guò)優(yōu)化的控制IC可安全地驅動(dòng)SiC-MOSFET，是能夠減輕設計負擔并將系統產(chǎn)品投入市場(chǎng)的周期最短化的極具突破性的解決方案。

　　ROHM的官網(wǎng)公開(kāi)了更詳細的電路圖、尺寸指南、部件清單以及更詳細的應用說(shuō)明。另外，還可聯(lián)系ROHM獲取專(zhuān)為輔助電源單元而優(yōu)化了控制IC和SiC-MOSFET的評估板。