如何正確應(yīng)用合適的功率器件以滿足工業(yè)電源要求

工業(yè)應(yīng)用的AC/DC電源轉(zhuǎn)換（也稱為“離線”電源轉(zhuǎn)換）與消費(fèi)電子和大眾市場(chǎng)設(shè)計(jì)中使用的轉(zhuǎn)換有很大不同。通常，在工業(yè)應(yīng)用中，電壓，電流和功率水平要高得多。還有其他的熱和電氣堅(jiān)固性要求;對(duì)活動(dòng)和備用有嚴(yán)格的監(jiān)管要求;并且必須監(jiān)控持續(xù)運(yùn)行，以進(jìn)行反饋回路和故障檢測(cè)。

在這些情況下，有效設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是位于轉(zhuǎn)換器核心的電源轉(zhuǎn)換器控制電路或器件，以及開關(guān)功率器件及其支持元件。它們用于實(shí)現(xiàn)選定的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并在所需的電壓和電流下提供穩(wěn)定的直流輸出。轉(zhuǎn)換器可以包括集成功率器件（如MOSFET）或充當(dāng)外部分立功率器件的控制器和驅(qū)動(dòng)器，包括碳化硅（SiC）功率器件。雖然一些轉(zhuǎn)換器為整個(gè)系統(tǒng)提供固定的直流電源軌，但其他轉(zhuǎn)換器作為需要特殊開/關(guān)屬性的柵極驅(qū)動(dòng)器，其作用不那么明顯，但仍然至關(guān)重要。

本文介紹了適用于工業(yè)電源應(yīng)用的各種電源轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及設(shè)計(jì)人員在選擇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其相關(guān)組件之前必須考慮的因素。在此過程中，它介紹了 ROHM 半導(dǎo)體的示例組件以及如何有效地應(yīng)用它們。

電源轉(zhuǎn)換器拓?fù)溥x擇

設(shè)計(jì)人員在選擇電源轉(zhuǎn)換器和開發(fā)滿足工業(yè)應(yīng)用挑戰(zhàn)性需求的電源時(shí)，必須平衡多種選擇和權(quán)衡與項(xiàng)目?jī)?yōu)先級(jí)。雖然有很多方法可以做到這一點(diǎn)，但最常見的方法是從電源需要提供的功率（以瓦特為單位）開始，以及輸入和輸出隔離的任何需求（圖1和圖2）。這兩個(gè)因素將指向電源轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞目赡苓x擇。

圖 1：電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)人員擁有多種可用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通常映射到所需的功率輸出范圍。（圖片來(lái)源：ROHM Semiconductor）

圖 2：每個(gè)轉(zhuǎn)換器拓?fù)涠伎梢杂靡粋€(gè)簡(jiǎn)單的電路圖來(lái)描述，該電路圖說(shuō)明了架構(gòu)的核心，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)按隔離類型（底部）和非隔離類型（頂部）分組。（圖片來(lái)源：ROHM Semiconductor）

請(qǐng)注意，這些都是開關(guān)模式電源（SMPS）拓?fù)?。無(wú)一個(gè)是線性模式電源。線性電源僅用于那些迫切需要極低輸出噪聲的利基應(yīng)用，因此其相對(duì)較低的效率（20%至40%）是可以容忍和可接受的。然而，在工業(yè)裝置中很少需要這種低功率相關(guān)的噪聲。

當(dāng)然，現(xiàn)實(shí)情況是，確定“正確”的方法通常不是一個(gè)簡(jiǎn)單的決定，因?yàn)橛性S多因素（例如以下內(nèi)容）會(huì)影響決策：

基本性能：包括輸入和輸出調(diào)節(jié)以及瞬態(tài)響應(yīng)

堅(jiān)固性：在某些情況下，某些方法對(duì)電氣和熱應(yīng)力的耐受性和耐受性更高

工作模式：電源可以是連續(xù)的、脈沖的或高度間歇的

高于標(biāo)稱功率的電源需求

解決方案成本

隔離的必要性

效率：一個(gè)具有許多含義的簡(jiǎn)短單詞

幾乎所有工業(yè)電源轉(zhuǎn)換器都固有的交流線路隔離，通過用于電壓升壓/降壓、用戶安全和系統(tǒng)性能的變壓器。盡管如此，即使使用初級(jí)側(cè)變壓器，一些轉(zhuǎn)換器也需要內(nèi)部輸入/輸出隔離（有時(shí)稱為浮動(dòng)輸出）用于自身操作、多個(gè)電源軌之間的電氣隔離或高壓軌自舉。這種輸入/輸出隔離可使用額外的變壓器或光耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

效率要求主導(dǎo)著許多設(shè)計(jì)選擇

任何關(guān)于工業(yè)電源轉(zhuǎn)換器的討論都必須將效率視為重中之重。與效率與運(yùn)行時(shí)間最密切相關(guān)的電池供電設(shè)備不同，AC/DC轉(zhuǎn)換器的效率由其他目標(biāo)驅(qū)動(dòng)：

運(yùn)營(yíng)成本：許多工業(yè)應(yīng)用需要數(shù)百瓦和數(shù)千瓦;這一點(diǎn)尤其重要，因?yàn)樵S多此類應(yīng)用程序全天候運(yùn)行。

散發(fā)多余的熱量：由于氣流受限或缺乏主動(dòng)冷卻，許多裝置的環(huán)境溫度可能很高。這種熱量會(huì)導(dǎo)致組件應(yīng)力，縮短故障時(shí)間，并需要更換停機(jī)時(shí)間和成本。功率轉(zhuǎn)換器效率低下增加了已經(jīng)很高的環(huán)境熱負(fù)荷。

監(jiān)管問題：有許多標(biāo)準(zhǔn)和要求將效率最低值設(shè)置為應(yīng)用、功率級(jí)別和區(qū)域的函數(shù)。這些標(biāo)準(zhǔn)還定義了允許的功率因數(shù)最小值，因此可能需要在電源轉(zhuǎn)換器和電源中添加功率因數(shù)校正（PFC）。

基本的數(shù)學(xué)計(jì)算表明，為什么即使稍微提高效率也是關(guān)鍵和有意義的?？紤]一個(gè)功率轉(zhuǎn)換器，其效率從65%提高到70%，這似乎是五個(gè)百分點(diǎn)的適度改進(jìn)?，F(xiàn)在從互補(bǔ)的角度來(lái)看：效率低下已經(jīng)從35%下降到30%。雖然這也是五個(gè)百分點(diǎn)的改進(jìn)，但它的低效率降低了5/35或約14%。因此，將效率從65%提高到70%也可以將效率低下（因此成本和熱負(fù)荷，可能需要額外的冷卻）減少14%。這是一項(xiàng)重大改進(jìn)，直接反映在熱設(shè)計(jì)要求和運(yùn)營(yíng)成本中。

實(shí)現(xiàn)更高的效率

沒有一個(gè)單一的“靈丹妙藥”可以帶來(lái)更高效的AC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，特別是當(dāng)設(shè)計(jì)人員試圖擠出更多的改進(jìn)百分點(diǎn)時(shí)。相反，進(jìn)步是幾個(gè)大尺度和小規(guī)模戰(zhàn)略相結(jié)合的結(jié)果：

為轉(zhuǎn)換器選擇合適的內(nèi)核拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并確定最適合該方法和功率電平的開關(guān)頻率;該頻率通常在100千赫茲（kHz）和1兆赫茲（MHz）之間。

優(yōu)化電路：在任何基本設(shè)計(jì)中都存在許多小的低效率來(lái)源，電源設(shè)計(jì)人員已經(jīng)確定了部分或大部分最小化這些低效率的方法;雖然每個(gè)可能代表一個(gè)小的改進(jìn)，但它們加起來(lái)。

使用固有有利于提高效率的有源和無(wú)源元件;對(duì)于功率器件（MOSFET）和一些二極管，現(xiàn)在這意味著遷移到基于SiC工藝技術(shù)的元件。

SiC技術(shù)現(xiàn)在成為下一代低損耗開關(guān)和阻斷元件最可行的候選者，因?yàn)樗哂械蛯?dǎo)通電阻和高溫下的優(yōu)越特性。與單獨(dú)使用硅相比，它具有許多優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗哂懈叩膿舸╇妷汉推渌匦裕ǎ?/p>

更高的臨界擊穿電場(chǎng)電壓，因此可以在給定的額定電壓下工作，并具有更薄的層，從而大大降低導(dǎo)通電阻。

更高的導(dǎo)熱性，從而在橫截面積上產(chǎn)生更高的電流密度。

帶隙越寬，高溫下的漏電流越低。因此，SiC二極管和FET通常被稱為寬帶隙（WBG）器件。

作為粗略的“數(shù)量級(jí)”比較，基于SiC的MOSFET器件可以阻擋比硅器件高出十倍的電壓，并且可以在25°C時(shí)以一半或更低的導(dǎo)通電阻切換速度提高十倍左右。 同時(shí)，它們?cè)?00°C（高于125°C）的溫度下工作的能力簡(jiǎn)化了熱設(shè)計(jì)和管理。

SiM 半導(dǎo)體的 SCT3105KRC14 是 SiC 開關(guān)器件功率處理能力的一個(gè)例子，這是一款 1200 伏、24 安培 （A）、N 溝道 SiC 功率 MOSFET，具有典型的 RDS（開）105毫歐（毫歐）。該器件具有良好的熱阻特性，表明其與施加的脈沖寬度相比可快速達(dá)到最大值（圖 3）。

圖 3：ROHM SCT3105KRC14 1200 伏、24 A、N 溝道 SiC 功率 MOSFET 具有熱特性，即使在脈沖驅(qū)動(dòng)下也能快速達(dá)到平衡。（圖片來(lái)源：ROHM Semiconductor）

分立式與集成式電源設(shè)計(jì)

在較低功率水平下，可以選擇將轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)壓器與相關(guān)電源開關(guān)器件相結(jié)合的IC。這樣做的好處是穩(wěn)壓器和功率器件之間的互連具有優(yōu)化的路徑，并且數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的規(guī)格中描述了不可避免的寄生效應(yīng)。此外，ROHM BD9G341AEFJ-E2（一款集成了 150 mΩ 功率 MOSFET 的降壓開關(guān)穩(wěn)壓器）也最大限度地減少了對(duì)外部元件的需求（圖 4）。

圖 4：ROHM BD9G341AEFJ-E2 降壓開關(guān)穩(wěn)壓器將 MOSFET 與控制器集成在一起，最大限度地降低了所需外部電路的數(shù)量和復(fù)雜性，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了解決方案的近乎完整的檢定。（圖片來(lái)源：ROHM Semiconductor）

這款微型 HTSOP-J8 器件的尺寸為 4.9 × 6.0 × 1.0 毫米 （mm），非常適合工業(yè)分布式電源應(yīng)用。它接受 12 V 至 76 V 輸入，并提供高達(dá) 3 A 的輸出電流。其電流模式架構(gòu)提供快速瞬態(tài)響應(yīng)和簡(jiǎn)單的相位補(bǔ)償設(shè)置，同時(shí)支持用戶可設(shè)置的50 kHz至750 kHz開關(guān)頻率。

隨著功率水平（以及電壓和電流）的增加，功率器件的封裝變得更加重要，使用單獨(dú)的單個(gè)器件變得更加具有挑戰(zhàn)性。在這種情況下，具有兩個(gè)或多個(gè)功率器件的預(yù)封裝模塊是一個(gè)有吸引力的選擇。例如，ROHM 的 BSM300D12P2E001 是一款半橋模塊，具有兩個(gè) SiC 雙擴(kuò)散 MOSFET （DMOSFET） 和 SiC 肖特基勢(shì)壘二極管，可處理 1200 伏和 300 A 的電壓（圖 5）。

圖 5：ROHM BSM300D12P2E001 模塊集成了兩個(gè)連接的 SiC DMOSFET 和 SiC 肖特基勢(shì)壘二極管，從而簡(jiǎn)化了常見半橋配置中的匹配 MOSFET，并表征了由此產(chǎn)生的性能。（圖片來(lái)源：ROHM Semiconductor）

在單個(gè)模塊中包括 MOSFET 及其二極管可優(yōu)化整個(gè)組件的性能，該組件看起來(lái)像一塊長(zhǎng)而薄的磚，長(zhǎng)約 152 mm ×寬約 62 mm × 17 mm 高（圖 6）。該模塊還包括一個(gè)獨(dú)立的溫度傳感器（NTC熱敏電阻），可以監(jiān)控其熱情況，同時(shí)其結(jié)構(gòu)鼓勵(lì)改進(jìn)熱管理 - 這是這種電壓和電流配對(duì)的主要考慮因素。它通過使組件更容易物理地連接到電路板或散熱器，同時(shí)提供機(jī)械完整性并確保堅(jiān)固電源引線的牢固連接來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

圖 6：ROHM BSM300D12P2E001 半橋模塊的封裝簡(jiǎn)化了布線連接、物理安裝和散熱方面的考慮。（圖片來(lái)源：ROHM Semiconductor）

驅(qū)動(dòng)器對(duì)變頻器有效運(yùn)行的重要性

無(wú)論是基于硅還是基于SiC，MOSFET的接通和關(guān)斷都必須仔細(xì)考慮與柵極驅(qū)動(dòng)電壓、電流、壓擺率、瞬變、過沖、輸入電容和電感以及許多其他靜態(tài)和動(dòng)態(tài)因素相關(guān)的許多細(xì)節(jié)。柵極驅(qū)動(dòng)器充當(dāng)來(lái)自控制處理器輸出的低電平、相對(duì)簡(jiǎn)單的信號(hào)與開關(guān)器件的柵極輸入之間的接口。它是一種特殊類型的電源轉(zhuǎn)換器，其輸出與功率器件的要求相匹配。

當(dāng)一對(duì)開關(guān)器件以半橋或全橋等常見排列方式使用時(shí)，驅(qū)動(dòng)器模塊還必須確保高邊和低端器件即使在一瞬間也不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致電源軌和接地之間的短路。此外，在某些功率器件應(yīng)用中，一個(gè)或兩個(gè)功率器件路徑必須與系統(tǒng)接地電氣隔離，同時(shí)仍為每個(gè)路徑提供匹配的性能。

為了滿足這些要求，一些功率器件供應(yīng)商提供了專門為其一個(gè)或多個(gè)開關(guān)器件設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器IC。例如，村田/ROHM 2DU180506MR02半橋柵極驅(qū)動(dòng)器IC的特性和特性補(bǔ)充了上述ROHM半橋模塊。它簡(jiǎn)化了向該模塊提供指定驅(qū)動(dòng)器的挑戰(zhàn)，同時(shí)增加了各種保護(hù)模式（圖 7）。

圖 7：村田/ROHM 2DU180506MR02 柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 專門設(shè)計(jì)用于作為控制處理器與 ROHM BSM300D12P2E001 半橋模塊之間的完整接口。（圖片來(lái)源：村田）

該柵極驅(qū)動(dòng)器封裝為一個(gè)尺寸為 24 mm 的小型模塊，安裝在尺寸為 65 mm × 100 mm 的電路板上。該板提供用于直流電源、處理器接口和電源模塊驅(qū)動(dòng)的連接器。柵極驅(qū)動(dòng)器還提供幾乎所有功率器件所需的關(guān)鍵監(jiān)控功能，尤其是那些用于高功率工業(yè)應(yīng)用的器件。其中包括過載保護(hù)、過熱保護(hù)（它與作為電源模塊一部分的熱敏電阻接口）、欠壓鎖定和柵極驅(qū)動(dòng)故障指示器。

其他半橋柵極驅(qū)動(dòng)器更通用。ROHM BM60212FV 是一款 1200 V 高邊和低邊柵極驅(qū)動(dòng)器 IC，適用于 N 溝道 MOSFET 和 IGBT（圖 8）。它使用提供磁隔離的無(wú)鐵芯變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)高端所需的電平轉(zhuǎn)換。然而，它被正式歸類為非隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器，因?yàn)槠鋬?nèi)部功能的其余部分不是隔離的。

圖 8：ROHM BM60212FV 高邊和低邊柵極驅(qū)動(dòng)器 IC 在高邊驅(qū)動(dòng)路徑的電平轉(zhuǎn)換電路中使用磁隔離;低端路徑不是隔離的。（圖片來(lái)源：ROHM Semiconductor）

該小型器件采用 SSOP-20W 封裝，尺寸為 6.5 × 8.1 × 2.0 mm，兼容 3 V 和 5 V 驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并具有欠壓鎖定等功能。請(qǐng)注意，該 IC 符合 AEC-Q100 標(biāo)準(zhǔn)，這意味著它符合嚴(yán)格的汽車可靠性標(biāo)準(zhǔn)。雖然“汽車合格”不是“工業(yè)”，但一些設(shè)計(jì)人員更喜歡在其BOM上指定符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)的零件，作為在環(huán)境具有挑戰(zhàn)性的工業(yè)條件下提高產(chǎn)品可靠性的一種方法。這些條件包括電涌和EMI/RFI、極端溫度的熱應(yīng)力以及由熱循環(huán)和振動(dòng)引起的機(jī)械故障。

測(cè)量電流

在許多功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中，有必要知道從輸出流向負(fù)載的電流量，但在工業(yè)應(yīng)用中，這幾乎總是至關(guān)重要的。在某些情況下，需要該電流值來(lái)向轉(zhuǎn)換器提供反饋以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)性能;在工業(yè)環(huán)境中，還需要監(jiān)控負(fù)載和情況，例如電機(jī)熄火或故障。實(shí)時(shí)連續(xù)測(cè)量該電流的方法之一是檢測(cè)與負(fù)載串聯(lián)的電阻器兩端的電壓。這通常被稱為分流電阻器，盡管該術(shù)語(yǔ)在這種情況下用詞不當(dāng)。

從概念上講，以這種方式測(cè)量電流是歐姆定律的直接應(yīng)用。在實(shí)踐中，例如在大電流工業(yè)轉(zhuǎn)換器安裝中，它帶來(lái)了多重挑戰(zhàn)。首先，設(shè)計(jì)人員必須確定適當(dāng)?shù)碾娮柚怠＿@里有一個(gè)權(quán)衡：更大的電阻值提供更大的IR壓降，從而提供更好的分辨率和抗擾度，但它也消耗更多的功率，降低負(fù)載的電源軌電壓，并可能對(duì)控制器/負(fù)載環(huán)路的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)好的起點(diǎn)是選擇一個(gè)電阻值，使得在最大電流下，它兩端的壓降約為100毫伏（mV）。算一算，這會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)毫歐姆范圍內(nèi)的電阻值，這與其他電路功能中常見的千歐和更高值形成鮮明對(duì)比。

確定電阻值后，設(shè)計(jì)人員必須選擇特定的物理元件。由于電流值的大小，與大多數(shù)其他電阻器相比，該電阻器必須具有相對(duì)較高的額定功率。此外，它必須不僅僅是在室溫下是準(zhǔn)確的;相反，它必須使用材料和制造技術(shù)，共同確保低電阻溫度系數(shù)（TCR）。在低TCR下，盡管環(huán)境溫度升高或由于自熱而使溫度升高，但其值不會(huì)發(fā)生明顯變化。

ROHM PSR400ITQFF0L50 分流電阻器就是一個(gè)很好的例子，它展示了這種看似簡(jiǎn)單的無(wú)源元件的復(fù)雜性。這是一個(gè)500微歐（μΩ）——是的，是半毫歐姆——±1%，4瓦金屬元件器件（圖9）。

圖 9：ROHM 的 PSR400ITQFF0L50 等電流檢測(cè)電阻器是采用特殊材料和技術(shù)精確制造的精密無(wú)源元件;它具有毫歐量程標(biāo)稱值和極低TCR。（圖片來(lái)源：ROHM Semiconductor）

雖然PSR400ITQFF0L50可能看起來(lái)像一塊簡(jiǎn)單的彎曲金屬，但外觀可能會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)。這種 5.2 × 10 mm 組件由銅和金屬氫化物精心混合而成，TCR 的 TCR 為 ±175/100 萬(wàn)攝氏度 （ppm/?C）。該系列中的其他電流檢測(cè)電阻器具有較低和較高的 TCR。相比之下，標(biāo)準(zhǔn)的低成本“花園品種”電阻器的TCR約為±2000至±4000 ppm/?C，或比這些超低歐姆金屬板高功率分流電阻器高十到二十倍。

當(dāng)在高電流值下使用分流電阻器時(shí)，它們的物理安裝和散熱是認(rèn)真考慮的，它們的電氣連接也是如此。對(duì)于毫歐范圍內(nèi)的電阻器，所需的四線開爾文連接點(diǎn)必須具有極低的電阻。它們還必須位于物理位置，以便它們產(chǎn)生有效的讀數(shù)，而不會(huì)被這些連接電阻損壞。

結(jié)論

由于應(yīng)用環(huán)境的壓力，工業(yè)電源和轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)人員在實(shí)現(xiàn)性能、成本、空間和可靠性要求方面面臨著一系列獨(dú)特的挑戰(zhàn)。高功率水平需要額外考慮效率、散熱和封裝。還有柵極驅(qū)動(dòng)器和電流檢測(cè)問題需要解決。

通過適當(dāng)考慮應(yīng)用的要求，此處所示的工業(yè)電源的核心構(gòu)建模塊（包括分立器件、集成和模塊化電源組件）可以輕松應(yīng)對(duì)工業(yè)級(jí)電源和轉(zhuǎn)換器的挑戰(zhàn)。