使用 SiC 功率半導體提升高性能開關轉換器的效率
發布時間：2024-10-15 18:01
發布者：eechina
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來源：Digikey 作者： Jens Wallmann 盡管硅 (Si) 器件相對成熟，但碳化硅 (SiC) 功率器件仍有望降低產品成本并提高效率。然而，有些設計人員可能仍然認為 SiC 半導體相當昂貴且難以控制。 下面我們以 Microchip Technology 的 SiC 器件為例，從 SiC 技術的基本優勢入手，為您打消這些顧慮。隨后，我們將探討 SiC 功率半導體，并展示有助于管理開發過程的仿真工具、可配置數字柵極驅動器以及參考設計。 體積小、重量輕、效率高且經濟實惠 工業廠房、電動汽車 (EV) 或可再生能源中的許多高性能電氣應用都必須不斷提高能源轉換效率、節約資源并降低成本。與成熟的硅絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 相比，SiC MOSFET 具有一些突出的優勢，系統電壓高達 2000 V，功率水平超過 3 kW。 憑借開關邊沿陡峭、過沖較少的特點，SiC 半導體可實現極低的開關損耗，在 30 kHz 的開關頻率下，與 IGBT 相比，開關損耗可降低多達 70%（圖 1）。這可以提高系統效率并降低電磁干擾 (EMI)，從而最大限度地減少對功率因數校正 (PFC) 和線路濾波器的需求。 
圖 1：與 IGBT（上）相比，SiC MOSFET（下）在 30 kHz 開關頻率下可使開關損耗降低 70% 以上。（圖片來源：Microchip Technology） 在高開關頻率、高電壓和低電流的條件下工作需要使用體積更小的電感和電容元器件。這可以減輕重量、減小線徑并降低 BOM 成本。與硅晶體管相比，SiC 半導體在高溫條件下更穩定，散熱性能更好，允許使用更小的散熱器以盡可能縮小體積。 由于雪崩能量較高，SiC MOSFET 在非鉗位感性開關 (UIS) 用例中的表現十分穩定�？傮w而言，SiC MOSFET 非�？煽�，可實現高功率密度并耐受瞬態短路。 速度快、低損耗的 SiC 肖特基勢壘二極管 對于希望提高系統效率、縮小外形尺寸和提高工作溫度的設計人員而言，Microchip Technology 的 SiC 半導體提供了一種創新選擇，適合光伏逆變器、電池充電、儲能、電機驅動器、不間斷電源 (UPS)、輔助電源和開關模式電源 (SMPS) 等應用。 Microchip 的 SiC 肖特基勢壘二極管 (SBD) 設計具有平衡的浪涌電流、正向電壓、熱阻、熱容、低反向電流和低開關損耗值。 SBD 還提供分立設計，例如采用共陰極和 TO-247-3 封裝結構的 MSC050SDA070BCT 雙 SBD，可處理 700 V 的重復反向恢復電壓 (VRRM) 和 88 A 的正向電流 (IF)。MSC50DC70HJ 全橋模塊采用螺紋端子，可處理 700 V 電壓和 50 A 電流，而 MSCDC50X1201AG 三相橋模塊則專為通孔焊接應用而設計。 堅固耐用的高電壓、高電流 SiC MOSFET 新型 SiC MOSFET 具有較高的 UIS 能力，約為 10 至 25 J/cm2。典型的 N 溝道單晶體管（如 MSC080SMA120B4）采用 TO-247-4 封裝結構，可在最大 1200 V 電壓下切換 37 A 電流，并具有獨立的開爾文源源連接，可實現無干擾柵極控制。 SiC MOSFET 電源模塊非常適合兩位數和三位數千瓦范圍內的開關轉換器應用。例如，MSCSM120AM02CT6LIAG 半橋模塊采用螺紋端子，漏感極低。該器件包含兩個 N 溝道 MOSFET，可以安全地切換高達 1200 V 的負載電路電壓和高達 947 A 的連續電流。 MSCSM120TAM31CT3AG 三相半橋模塊可以處理高達 1200 V 的漏極至源極電壓 (VDSS)、高達 89 A 的開關電流 (ID) 以及 395 W 的最大功率耗散 (PD)。集成式 SBD 續流二極管具有零反向恢復、零正向恢復和不受溫度影響的開關特點。 數字可編程柵極驅動器 Microchip 的加速 SiC 開發套件 (ASDAK-MSCSM120AM02CT6LIAG-01) 內含操作低電感 SiC 模塊所需的全部硬件和軟件組件。該套件提供一塊即用型數字雙通道 SiC 柵極驅動器插件板，專用于控制 1200 V SiC 模塊。此柵極驅動器可以使用 Microchip 的智能配置工具 (ICT) 和編程適配器進行編程，以實現最佳性能。 驅動器板使用合適的適配器卡直接插入 SiC 模塊，形成緊湊的半橋單元，可實現多級開/關操作（圖 2）。柵極驅動器支持先進的開關控制，具有強大的短路保護功能，并且完全可由軟件配置，包括 +/- Vgs 柵極電壓。
圖 2：在 ASDAK-MSCSM120AM02CT6LIAG-01 中，一個適配器卡將 SiC 電源模塊連接到柵極驅動器板，形成緊湊的半橋電源單元。（圖片來源：Microchip Technology） 快速成功開發 輕松、快速、可靠地為您的應用設計 SiC 半導體的另一種方法是使用 Microchip 的 MPLAB SiC 電源仿真器。該電路仿真器基于分段線性電路仿真 (PLECS)，可幫助設計人員在構建原型之前評估 SiC 器件。其使用常見電源轉換器拓撲（例如 DC/AC、AC/DC 和 DC/DC 應用）的實驗室測試數據來計算功率損耗并估算 SiC 器件的結溫。 在線 MPLAB SiC 電源仿真器提供電路拓撲以供選擇，可指導您完成元器件選擇、定義工作參數，并模擬電壓、電流、功率耗散和溫度的信號曲線（圖 3）。
圖 3：左側為在線 MPLAB SiC 電源仿真器的電路和系統參數，右側為模擬信號曲線。此處顯示的是 Vienna 三相橋式電路的電壓和電流曲線。（圖片來源：Microchip Technology） Microchip 提供許多基于 SiC 的參考設計文檔（包括設計文件），可幫助工程師快速上手。其中包括用于電動汽車和工業應用的電源、充電器和電能存儲系統： · 用于電動汽車充電的 11 kW 雙向 DC/DC 橋 · 30 kW Vienna 三相 PFC · 150 kVA 三相 SiC 電源疊接式參考設計 結語 Microchip 的 SiC 功率半導體可以在兩、三千瓦級開關轉換器應用中提升系統性能，并實現緊湊、高功率密度的設計。此外，設計人員還可以利用配套的仿真工具、可配置的數字柵極驅動器和豐富的參考設計，更快地成功完成自己的電路設計。 |
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