60W輔助電源1700V SiC MOSFET

輔助電源是電機驅動、光伏逆變器和 UPS 系統(tǒng)等工業(yè)應用的重要組成部分。高壓直流總線轉換為 5 V 至 48 V 直流電源，為控制電路、傳感電路、冷卻風扇、SELV 電路等供電。在這些應用中，電源的電流隔離是一個常見的要求，功率電平通常低于 100 W。由于直流鏈路電壓的變化，它還應該能夠在寬輸入電壓范圍內(nèi)工作，通常從 300 V 到 1000 V。單開關反激式拓撲結構簡單，元件數(shù)量最少，成本低，是此類低功率 DC-DC 電源轉換的廣泛使用的拓撲結構之一。

圖 1：單開關反激式轉換器

使用 SiC MOSFET 的 300V~1000V 單開關反激式轉換器的設計注意事項

單開關反激式轉換器中的電源開關器件必須能承受最大電壓，該電壓定義為最高輸入電壓、變壓器感應效應、次級反射電壓和電路布局寄生電感引起的過電壓之和。在 1000 V 輸入時，該峰值電壓很容易超過 1200 V。雖然 1500 V Si MOSFET 無法提供足夠的電壓安全裕度，但需要使用額定值 2000 V 及以上的 Si MOSFET。由于其較高的特定導通電阻，這將導致尺寸過大的 MOSFET 具有降低的功率密度。此外，此類 MOSFET 將增加半導體在應用中的整體成本。

針對此類問題，Littelfuse 提供了 1700 VSiC MOSFET，即使對于 1000 V 標稱輸入直流鏈路電壓也能提供足夠的電壓裕度。與 2000V Si MOSFET 對應物相比，1700V SiC MOSFET 的特定導通電阻降低了近 82%。這將大大降低傳導損耗和半導體成本，同時提高功率密度和應用。此外，碳化硅 MOSFET 的低開關能量和超低柵極電荷支持更高的開關頻率，因此可以在提高轉換器效率的同時實現(xiàn)更緊湊、低損耗的變壓器設計。在最好的情況下，被動冷卻是可能的。

工作原理

如圖 1 所示，當 MOSFET 導通時，能量存儲在變壓器的初級線圈中。變壓器的次級側被二極管阻斷，負載由次級側的輸出電容器供電。

當 MOSFET 關斷時，MOSFET 兩端的初級電壓超過輸入電壓加上次級繞組反射的輸出電壓。在此期間，次級側二極管 D1 導通，變壓器初級兩端的電壓近似鉗位到反射輸出電壓。

關斷事件會中斷流經(jīng)變壓器初級繞組的電流，導致 MOSFET 上出現(xiàn)電壓尖峰，該電壓尖峰與雜散電路電容諧振并產(chǎn)生大振幅高頻振鈴。

這種諧振被 RCD 鉗位 / 緩沖電路抑制。碳化硅 MOSFET 提供更高的電壓裕度，因此允許更低的緩沖器損耗。緩沖電容需要足夠大，以在吸收泄漏能量的同時保持較小的電壓紋波。

變壓器設計

變壓器是設計中的關鍵無源元件。磁芯材料和繞組線選擇決定了變壓器的功率損耗和溫升。漏感影響功率 MOSFET 上的電壓振鈴和峰值電壓，并決定 RCD 鉗位電路設計。隔離電容會影響系統(tǒng)的共模噪聲發(fā)射。

變壓器的初級與次級匝數(shù)比決定了初級側 MOSFET 和次級側整流二極管上的實際峰值電壓。對于 1700 V MOSFET，考慮到最大漏感電壓尖峰為最大輸入電壓的 25%，建議降額 15%。二次側的最大允許反射電壓可估算為：

最大匝數(shù)比可以計算為

其中 VF是輸出整流二極管的正向電壓

輸出電路設計

輸出電容的最小值由紋波要求決定。

輸出整流二極管峰值電壓等于輸出電壓加上反射輸入電壓，如以下等式所示：

柵極驅動及控制電路

SiC MOSFET 具有超低輸入電容，因此開啟器件所需的柵極電荷也非常低。PWM 控制器 IC 可以直接驅動 SiC MOSFET，無需額外的驅動器 IC，從而進一步降低系統(tǒng)成本。

建議使用不同的導通和關斷電阻 - 較小的導通電阻以減少導通損耗，較大的關斷電阻以減少電壓振鈴和 EMI 噪聲發(fā)射。

SiC MOSFET 需要比 Si MOSFET 更高的柵極驅動電壓。15V 到 20V 的值通常會產(chǎn)生最低的導通電阻。降低驅動電壓將降低短路峰值電流，這可能會提高系統(tǒng)的耐用性，但代價是 RDS(on)值略有增加。這種影響在較高的工作溫度下不太明顯。例如，18V 驅動 MOSFET 的最佳驅動電壓為 20V，在 125°C 時導通電阻只會增加 3.5%。然而，如果驅動電壓太低，器件可能會在較低的電流下飽和而無法支持高峰值電流。

優(yōu)化柵極環(huán)路的實際布局并使其盡可能短至關重要。關鍵設計目標是降低柵極環(huán)路電感并避免近場耦合，以最大限度地減少柵極振鈴和高峰值柵極電壓。

具有 300V~1000V 寬輸入和 12V 輸出的 1700V 參考設計的性能

選擇 Littelfuse 的 1700 V 750mΩ SiC MOSFET（部件號 LSIC1MO170E0750）作為初級側開關。晶體管 TO-247-3 封裝提供了較大的熱交換面積和較低的熱阻 RTHJ-C，以簡化熱管理，同時降低芯片的功率損耗和被動冷卻。

選擇 Littefuse 的 150 V 二極管（部件號 DSA30C150PB）作為整流二極管。

考慮到轉換器損耗的整體優(yōu)化目標，選擇開關頻率 fs=110 kHz，變壓器的匝數(shù)比選擇為 12。對于 12V 輸出電壓，額定輸出電壓紋波 <10mV。

該電路旨在在最大輸入電壓下在 50% 到 100% 的負載范圍內(nèi)保持連續(xù)導通模式操作 (CCM)。這是一方面減少半導體損耗和 EMI，另一方面減少變壓器匝數(shù)之間的權衡。后者影響 RCD 鉗位電路中的重量、漏感和功率損耗.

對于所有輸入電壓條件，轉換器效率在 40% 負載以上都高于 80%。在 50% 負載和 300 V 輸入電壓下可實現(xiàn) 89.3% 的峰值效率。

圖 2：不同輸入電壓條件下測得的效率與輸出功率的關系

如圖 10 所示，在 SiC MOSFET 上沒有連接散熱器、在 25°C 環(huán)境溫度下自然對流冷卻的情況下，SiC MOSFET 在 1000 V 輸入電壓下滿載時的最高溫度達到 106.5°C。當輸入電壓增加時，MOSFET 溫度會顯著增加，這主要是由開關損耗驅動的。二極管和變壓器的溫度保持在 80°C 以下。

圖 3：不同輸入電壓（25°C 環(huán)境溫度）下滿載時的熱圖像

1700V SiC MOSFET 是應對為工業(yè)系統(tǒng)設計寬輸入電壓輔助電源轉換器的挑戰(zhàn)的可靠解決方案。與依賴傳統(tǒng) Si MOSFET 拓撲的設計相比，它們允許使用簡單、經(jīng)過驗證的拓撲，同時提供卓越的熱性能和低得多的功率損耗。

　　審核編輯：湯梓紅