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工业辅助电源中的 SiC
接线图
2024年10月20日 19:25 112
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任何类型的电源转换系统（例如太阳能逆变器、电力驱动、UPS、HVDC）都需要辅助电源来提供低压总线（例如 12V 或 24V），以便为栅极驱动器、微控制器、显示器、传感器或风扇供电，确保系统正常运行。对于典型的工业设备，辅助电源需要使用三相 400/480V 交流电源；对于光伏逆变器，辅助电源需要使用高直流电压。
用于紧凑型辅助电源的 SiC MOSFET
一种选择是使用更复杂的拓扑结构以避免使用 1500V MOSFET（例如双开关反激式或低压器件的串联连接）；然而，这会导致额外的复杂性和增加的元件数量。
控制 IC 可实现经济高效的基于 SiC 的单开关反激式拓扑
基于SiC反激式辅助电源解决方案由于采用了专门设计用于以安全可靠的方式驱动此拓扑中的 SiC 功率 MOSFET 的控制 IC，而没有栅极驱动器 IC 引入的复杂性，因此获得了更大的吸引力。
ROHM Semiconductor 推出了一款准谐振 AC-DC 控制器 IC，BD768xFJ，可与目前市场上的多种 SiC MOSFET 兼容，特别是在这些器件的栅极驱动要求方面。将 BD768xFJ 控制 IC 与 ROHM 1700V SiC MOSFET 结合使用时，可实现效率和性能的最佳匹配。BD768xFJ 不仅实现了反激电路的所有控制，还负责以合适的栅极电压驱动 SiC MOSFET，以确保最佳性能。此外，栅极钳位和过载保护功能可确保 SiC MOSFET 的保护。
控制 IC BD768xFJ 采用紧凑型 SOP8-J8 封装，提供一系列功能和保护特性，包括带外部分流器的电流检测、过载、输入欠压和输出过压保护以及软启动。在整个工作区域内，实现准谐振开关，以最大限度地降低 EMI 并确保低开关损耗。为了优化低负载下的操作，控制器中实现了降频模式以及突发操作。
为了展示基于 SiC MOSFET 的简单辅助电源所能实现的性能，我们开发了一个评估板（见图 4）。在此电路示例中，BD768xFJ-LB
用于驱动准谐振开关 AC/DC 转换器中的 1700V SiC MOSFET (SCT2H12NZ)。准谐振操作可最大限度地减少开关损耗并有助于保持较低的 EMI。电流检测通过外部电阻实现。通过使用控制器的突发模式操作和在轻负载条件下降低开关频率，可最大限度地提高功率效率。
图 5：准谐振操作中的 SiC MOSFET 开关波形
随着输出功率的增加，在重新开始循环之前跳过的谷值越来越少，这导致频率增加（Pout=20W 时的图片）。接近定义的最大输出功率（本例中为 40W）时，达到最后一个谷值。此时开关频率达到最大值 120 kHz。
稍微降低开关频率即可满足更高的输出功率需求，从而增加初级开关的导通时间。这会增加初级电流峰值，从而增加传输能量（Pout = 40W 时的图片）。超过最大输出功率水平时，会触发过流保护并阻止开关动作，以防止系统过热。
电路板在前两个工作点以非连续传导模式 (DCM) 运行，在最后一个工作点 (40W) 时以边界传导模式 (BCM) 运行。根据输入电压，DCM 和 BCM 之间的转换发生在不同的输出功率水平。
图 6：对 SiC 辅助电源装置进行的测量
下图显示了在高达 40 W 的负载范围和 12V 的输出电压下不同输入电压的效率。在整个测量过程中，如下图所示，确认 SiC MOSFET 的外壳温度保持在 90°C 以下。SiC MOSFET 的最大允许结温为 175°C。
由于芯片到外壳的热阻远低于外壳到环境的热阻，因此可以安全地假设结温远低于极限值，这证实了该电路板在没有散热器的情况下可以在高达 40W 的输出功率下运行。如果为 SiC MOSFET 使用散热器并改善输出整流二极管的冷却，则可以实现更高的输出功率。
虽然此处显示的是直流输入电压测量，但也可以使用 400/480V 三相交流电源来操作评估板。线路整流所需的二极管桥已在 PCB 上实现。
SiC MOSFET 技术使设计人员能够实现更高的效率、简单性、可靠性和紧凑性。对于 3 相输入或 400V 以上的直流输入电压，简单、经济高效的单开关反激式解决方案对于功率为几十瓦的 Si MOSFET 来说并不实用，因为 Si MOSFET 的功率较差
1700V SiC MOSFET 的卓越性能和控制 IC 系列 BD768xFJ 的可用性允许为三相系统或具有良好性能的高直流输入电压系统设计简单的辅助电源。SiC MOSFET 技术使设计人员能够实现更高的效率、简单性、可靠性和紧凑性。由于 1700V SiC MOSFET 的性能优势，可以以与 Si MOSFET 解决方案相当的系统成本实现这一点。
此外，还可以降低散热器和磁性元件等昂贵组件的成本。控制 IC 经过优化，可以安全驱动 SiC MOSFET，从而帮助实现非常简单的解决方案，减少设计工作量并最大限度地缩短系统上市时间。
用于紧凑型辅助电源的 SiC MOSFET
图 1 显示了用于辅助电源的典型电路。根据输入电压，MOSFET 必须承受高达 1300V 的电压。由于需要一定的安全裕度，因此通常使用额定电压至少为 1500V 的设备。具有此击穿电压额定值的 Si MOSFET 是可用的，但会产生高损耗，因此需要笨重且昂贵的散热器
一种选择是使用更复杂的拓扑结构以避免使用 1500V MOSFET（例如双开关反激式或低压器件的串联连接）；然而，这会导致额外的复杂性和增加的元件数量。
1700V SiC MOSFET的导通电阻比 1500V Si MOSFET 低约两个数量级（见图 2），这为辅助电源设计人员提供了使用简单的单开关反激式拓扑的选项，并通过紧凑的设计实现良好的性能。ROHM Semiconductor 提供适合此类应用的高压 SiC MOSFET，采用表面贴装封装（TO-268-2L）以及全模塑隔离 TO-3PFM 封装。这些器件的爬电距离分别延长至 5 毫米和 5.45 米。
控制 IC 可实现经济高效的基于 SiC 的单开关反激式拓扑
基于SiC反激式辅助电源解决方案由于采用了专门设计用于以安全可靠的方式驱动此拓扑中的 SiC 功率 MOSFET 的控制 IC，而没有栅极驱动器 IC 引入的复杂性，因此获得了更大的吸引力。
ROHM Semiconductor 推出了一款准谐振 AC-DC 控制器 IC，BD768xFJ，可与目前市场上的多种 SiC MOSFET 兼容，特别是在这些器件的栅极驱动要求方面。将 BD768xFJ 控制 IC 与 ROHM 1700V SiC MOSFET 结合使用时，可实现效率和性能的最佳匹配。BD768xFJ 不仅实现了反激电路的所有控制，还负责以合适的栅极电压驱动 SiC MOSFET，以确保最佳性能。此外，栅极钳位和过载保护功能可确保 SiC MOSFET 的保护。
控制 IC BD768xFJ 采用紧凑型 SOP8-J8 封装，提供一系列功能和保护特性，包括带外部分流器的电流检测、过载、输入欠压和输出过压保护以及软启动。在整个工作区域内，实现准谐振开关，以最大限度地降低 EMI 并确保低开关损耗。为了优化低负载下的操作，控制器中实现了降频模式以及突发操作。
下图显示了基于 BD768xFJ 控制 IC 和 ROHM 1700V SiC MOSFET的简单但高性能的辅助电源装置的主要电路。
图3：采用BD728xFJ控制IC和1700V SiC MOSFET的辅助电源电路
为了展示基于 SiC MOSFET 的简单辅助电源所能实现的性能，我们开发了一个评估板（见图 4）。在此电路示例中，BD768xFJ-LB
用于驱动准谐振开关 AC/DC 转换器中的 1700V SiC MOSFET (SCT2H12NZ)。准谐振操作可最大限度地减少开关损耗并有助于保持较低的 EMI。电流检测通过外部电阻实现。通过使用控制器的突发模式操作和在轻负载条件下降低开关频率，可最大限度地提高功率效率。
图 5 显示了 SiC MOSFET 的开关波形。不同输出负载下的波形说明了控制器如何选择谐振漏源电压的不同谷值来打开 SiC MOSFET。这种准谐振操作可最大限度地减少开关损耗和 EMI。在非常轻的负载下退出突发模式后，建立准谐振模式，并跳过大量谷值，然后重新启动新周期并打开晶体管（左图，Pout=5W）。
图 5：准谐振操作中的 SiC MOSFET 开关波形随着输出功率的增加，在重新开始循环之前跳过的谷值越来越少，这导致频率增加（Pout=20W 时的图片）。接近定义的最大输出功率（本例中为 40W）时，达到最后一个谷值。此时开关频率达到最大值 120 kHz。
稍微降低开关频率即可满足更高的输出功率需求，从而增加初级开关的导通时间。这会增加初级电流峰值，从而增加传输能量（Pout = 40W 时的图片）。超过最大输出功率水平时，会触发过流保护并阻止开关动作，以防止系统过热。
电路板在前两个工作点以非连续传导模式 (DCM) 运行，在最后一个工作点 (40W) 时以边界传导模式 (BCM) 运行。根据输入电压，DCM 和 BCM 之间的转换发生在不同的输出功率水平。
图 6：对 SiC 辅助电源装置进行的测量下图显示了在高达 40 W 的负载范围和 12V 的输出电压下不同输入电压的效率。在整个测量过程中，如下图所示，确认 SiC MOSFET 的外壳温度保持在 90°C 以下。SiC MOSFET 的最大允许结温为 175°C。
由于芯片到外壳的热阻远低于外壳到环境的热阻，因此可以安全地假设结温远低于极限值，这证实了该电路板在没有散热器的情况下可以在高达 40W 的输出功率下运行。如果为 SiC MOSFET 使用散热器并改善输出整流二极管的冷却，则可以实现更高的输出功率。
虽然此处显示的是直流输入电压测量，但也可以使用 400/480V 三相交流电源来操作评估板。线路整流所需的二极管桥已在 PCB 上实现。
SiC MOSFET 技术使设计人员能够实现更高的效率、简单性、可靠性和紧凑性。对于 3 相输入或 400V 以上的直流输入电压，简单、经济高效的单开关反激式解决方案对于功率为几十瓦的 Si MOSFET 来说并不实用，因为 Si MOSFET 的功率较差
1700V SiC MOSFET 的卓越性能和控制 IC 系列 BD768xFJ 的可用性允许为三相系统或具有良好性能的高直流输入电压系统设计简单的辅助电源。SiC MOSFET 技术使设计人员能够实现更高的效率、简单性、可靠性和紧凑性。由于 1700V SiC MOSFET 的性能优势，可以以与 Si MOSFET 解决方案相当的系统成本实现这一点。
此外，还可以降低散热器和磁性元件等昂贵组件的成本。控制 IC 经过优化，可以安全驱动 SiC MOSFET，从而帮助实现非常简单的解决方案，减少设计工作量并最大限度地缩短系统上市时间。
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