工業(yè)設(shè)備輔助電源驅(qū)動用的SiC電源解決方案

　　前言

　　包括光伏逆變器、電氣驅(qū)動裝置、UPS及HVDC在內(nèi)的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，需要柵極驅(qū)動器、微控制器、顯示器、傳感器及風(fēng)扇來使系統(tǒng)正常運行。這類產(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(shè)備所使用的三相400/480V AC電源、或太陽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(shè)計簡單、性價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，因此一般來講至少需要使用額定電壓1500V的產(chǎn)品。當(dāng)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(zhuǎn)換器方式的輔助電源拓撲

　　另外還有使用更復(fù)雜的拓撲結(jié)構(gòu)(雙端反激式轉(zhuǎn)換器方式、低電壓器件串聯(lián)等)而不使用1500V MOSFET的做法。但是，這些做法不僅會增加設(shè)計難度，還會使部件數(shù)量增加。

　　如果使用特定導(dǎo)通電阻僅為1500V Si-MOSFET的1/2(參見圖2)的1700V SiC-MOSFET，則輔助電源的設(shè)計者們將能夠使用簡單的單端反激式轉(zhuǎn)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)，并提供適用于此類應(yīng)用的高耐壓SiC-MOSFET。這些產(chǎn)品的特點是分別可確保5mm和5.45m的爬電距離。

　　圖2. 特定導(dǎo)通電阻條件下的Si和SiC MOSFET性能比較

　　極具性價比且實現(xiàn)SiC單端反激式拓撲結(jié)構(gòu)的控制IC

　　采用了SiC-MOSFET的反激式轉(zhuǎn)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(shè)計利用反激式轉(zhuǎn)換器安全可靠地驅(qū)動SiC-MOSFET，而且不會因柵極驅(qū)動器IC而變得復(fù)雜。

　　ROHM針對目前可入手的幾款SiC-MOSFET，開發(fā)出特別滿足各元器件柵極驅(qū)動所需條件的準諧振AC/DC轉(zhuǎn)換器控制IC“BD768xFJ”并已實施量產(chǎn)。這款控制IC與ROHM的1700V耐壓SiC-MOSFET相結(jié)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(dāng)?shù)臇艠O電壓驅(qū)動SiC-MOSFET，從而保證最佳性能。此外，還可通過柵極箝位功能和過載保護功能來保護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負載、輸入欠壓、輸出過電壓保護等保護功能以及軟啟動等功能。搭載了準諧振開關(guān)，以在全部工作范圍內(nèi)將EMI抑制在最低水平，并降低開關(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的簡單輔助電源的性能進行評估而專門開發(fā)了評估板(參見圖4)。這款評估板為了在準諧振開關(guān)AC/DC轉(zhuǎn)換器中驅(qū)動1700V耐壓SiC-MOSFET“SCT2H12NZ”而使用了BD768xFJ-LB。準諧振工作有助于將開關(guān)損耗控制在最低并抑制EMI。電流檢測通過外置的電阻器進行。另外，通過使用輕負載時的突發(fā)模式工作和降頻功能，還可實現(xiàn)節(jié)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的開關(guān)波形如圖5所示。通過不同輸出負載的波形可以看出在接通SiC-MOSFET時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關(guān)損耗和EMI。輕負載時(Pout = 5W時，左圖)的突發(fā)工作模式結(jié)束后，轉(zhuǎn)為準諧振工作模式。通過跳過很多波谷來控制頻率。當(dāng)輸出負載増加(Pout = 20W時，中圖)時，波谷數(shù)量減少，頻率上升。當(dāng)接近規(guī)定的最大輸出負載(在這種情況下Pout = 40W，右圖)時，將只有一個波谷。此時，開關(guān)頻率達到最大值120kHz。

　　另外，為了延長一次側(cè)的開關(guān)導(dǎo)通時間，可以稍微降低開關(guān)頻率并提高輸出功率的要求。這樣，一次側(cè)電流峰值增加，傳輸?shù)哪芰恳苍黾?Pout = 40W時)。當(dāng)超過最大輸出功率時，過電流保護功能工作并阻止開關(guān)動作，以防止系統(tǒng)過熱。

　　圖5. 準諧振工作時的SiC-MOSFET開關(guān)波形

　　首先，評估板因有兩個工作點而以電流不連續(xù)模式(DCM)工作。然后，在最后一個工作點(40W)時正好達到電流臨界模式(BCM)。根據(jù)不同的輸入電壓，DCM和BCM在不同的輸出功率進行切換。

　　圖6左側(cè)是對于不同的輸入電壓，在最大40W的負載范圍輸出12V電壓時的效率。如圖6右側(cè)所示，通過測量可知SiC-MOSFET的外殼溫度保持在90℃以下。SiC-MOSFET的最大容許結(jié)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(jié)溫低于上限值的外殼即可以說是安全的。這表明該評估板即使在高達40W的輸出功率條件下，無需散熱器也可工作。另外，如果對SiC-MOSFET增加散熱器來冷卻輸出整流二極管，則可以實現(xiàn)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)，可實現(xiàn)小型化并提高系統(tǒng)效率、可靠性及簡潔性

　　在需要幾十瓦的簡單且性價比高的三相輸入用單端反激式解決方案和超過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(shè)計復(fù)雜結(jié)構(gòu)的輔助電源，是非常費時費力的。這部分精力應(yīng)該用在主電源系統(tǒng)的設(shè)計上。

　　利用1700V SiC-MOSFET的優(yōu)異性能和BD768xFJ控制IC，不僅能夠設(shè)計三相系統(tǒng)用或高DC輸入電壓用的簡單輔助電源，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(shè)計人員可提高產(chǎn)品的效率、簡潔性、可靠性并實現(xiàn)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(tǒng)的成本相匹敵，比如可削減散熱器、線圈等昂貴部件的成本。經(jīng)過優(yōu)化的控制IC可安全地驅(qū)動SiC-MOSFET，是能夠減輕設(shè)計負擔(dān)并將系統(tǒng)產(chǎn)品投入市場的周期最短化的極具突破性的解決方案。

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