包括光伏逆變器,、電氣驅(qū)動(dòng)裝置,、UPS及HVDC在內(nèi)的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng),，需要柵極驅(qū)動(dòng)器,、微控制器,、顯示器,、傳感器及風(fēng)扇來(lái)使系統(tǒng)正常運(yùn)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(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(shì)且設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、性價(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(dá)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(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?fù)?/p>
另外還有使用更復(fù)雜的拓?fù)浣Y(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(huì)增加設(shè)計(jì)難度,，還會(huì)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(jiàn)圖2）的1700V SiC-MOSFET，則輔助電源的設(shè)計(jì)者們將能夠使用簡(jiǎn)單的單端反激式轉(zhuǎn)換器的拓?fù)?，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(diǎn)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(jià)比且實(shí)現(xiàn)SiC單端反激式拓?fù)浣Y(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(jì)利用反激式轉(zhuǎn)換器安全可靠地驅(qū)動(dòng)SiC-MOSFET,，而且不會(huì)因柵極驅(qū)動(dòng)器IC而變得復(fù)雜。
ROHM針對(duì)目前可入手的幾款SiC-MOSFET,，開(kāi)發(fā)出特別滿足各元器件柵極驅(qū)動(dòng)所需條件的準(zhǔn)諧振AC/DC轉(zhuǎn)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(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(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(hù)功能來(lái)保護(hù)SiC-MOSFET。
BD768xFJ這款控制IC,，采用小型SOP8-J8封裝,，具備電流檢測(cè)用的外置分流電阻和過(guò)負(fù)載、輸入欠壓,、輸出過(guò)電壓保護(hù)等保護(hù)功能以及軟啟動(dòng)等功能,。搭載了準(zhǔn)諧振開(kāi)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(kāi)關(guān)損耗,。另外,，為了優(yōu)化在低負(fù)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(duì)使用了SiC-MOSFET的簡(jiǎn)單輔助電源的性能進(jìn)行評(píng)估而專門開(kāi)發(fā)了評(píng)估板（參見(jiàn)圖4）。這款評(píng)估板為了在準(zhǔn)諧振開(kāi)關(guān)AC/DC轉(zhuǎn)換器中驅(qū)動(dòng)1700V耐壓SiC-MOSFET“SCT2H12NZ”而使用了BD768xFJ-LB,。準(zhǔn)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(cè)通過(guò)外置的電阻器進(jìn)行,。另外，通過(guò)使用輕負(fù)載時(shí)的突發(fā)模式工作和降頻功能,，還可實(shí)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(píng)估板
SiC-MOSFET的開(kāi)關(guān)波形如圖5所示。通過(guò)不同輸出負(fù)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(zhǔn)諧振工作,，可最大限度地降低開(kāi)關(guān)損耗和EMI。輕負(fù)載時(shí)（Pout = 5W時(shí),，左圖）的突發(fā)工作模式結(jié)束后,，轉(zhuǎn)為準(zhǔn)諧振工作模式。通過(guò)跳過(guò)很多波谷來(lái)控制頻率,。當(dāng)輸出負(fù)載増加（Pout = 20W時(shí),，中圖）時(shí)，波谷數(shù)量減少,，頻率上升,。當(dāng)接近規(guī)定的最大輸出負(fù)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(dá)到最大值120kHz,。
另外,，為了延長(zhǎng)一次側(cè)的開(kāi)關(guān)導(dǎo)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(cè)電流峰值增加，傳輸?shù)哪芰恳苍黾樱≒out = 40W時(shí)）,。當(dāng)超過(guò)最大輸出功率時(shí),，過(guò)電流保護(hù)功能工作并阻止開(kāi)關(guān)動(dòng)作，以防止系統(tǒng)過(guò)熱,。
圖5. 準(zhǔn)諧振工作時(shí)的SiC-MOSFET開(kāi)關(guān)波形
首先,，評(píng)估板因有兩個(gè)工作點(diǎn)而以電流不連續(xù)模式（DCM）工作。然后,，在最后一個(gè)工作點(diǎn)（40W）時(shí)正好達(dá)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(jìn)行切換,。
圖6左側(cè)是對(duì)于不同的輸入電壓,，在最大40W的負(fù)載范圍輸出12V電壓時(shí)的效率。如圖6右側(cè)所示,，通過(guò)測(cè)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(shuō)是安全的,。這表明該評(píng)估板即使在高達(dá)40W的輸出功率條件下,，無(wú)需散熱器也可工作。另外,，如果對(duì)SiC-MOSFET增加散熱器來(lái)冷卻輸出整流二極管,，則可以實(shí)現(xiàn)更高的輸出功率。
圖6. 使用了SiC-MOSFET的輔助電源單元評(píng)估
這里給出的是各DC輸入電壓的測(cè)量值,，利用400 / 480V的三相AC電源也可運(yùn)行評(píng)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(xiàn)小型化并提高系統(tǒng)效率,、可靠性及簡(jiǎn)潔性
在需要幾十瓦的簡(jiǎn)單且性價(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?yàn)榇箅妷篠i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(jì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的輔助電源,，是非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力的,。這部分精力應(yīng)該用在主電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上。
利用1700V SiC-MOSFET的優(yōu)異性能和BD768xFJ控制IC,，不僅能夠設(shè)計(jì)三相系統(tǒng)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(shè)計(jì)人員可提高產(chǎn)品的效率,、簡(jiǎn)潔性、可靠性并實(shí)現(xiàn)小型化,。1700V SiC-MOSFET在性能方面的優(yōu)勢(shì)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(guò)優(yōu)化的控制IC可安全地驅(qū)動(dòng)SiC-MOSFET,，是能夠減輕設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)并將系統(tǒng)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(xì)的電路圖,、尺寸指南,、部件清單以及更詳細(xì)的應(yīng)用說(shuō)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(píng)估板,。https://www.rohm.com.cn