碳化硅MOSFET在6.6kW高頻高功率密度功率變換器中的應(yīng)用

本文介紹了碳化硅（SiC）器件在高頻LLC諧振DC/DC轉(zhuǎn)換器中的應(yīng)用，該轉(zhuǎn)換器可用于總線轉(zhuǎn)換器、電動汽車充電器、服務(wù)器電源和儲能。在高開關(guān)頻率下，LLC變壓器的漏感可用作諧振電感，在50kHz和30.500kW/6V輸出時，體積和重量減少6%，磁性元件的功率損耗降低400%。實驗結(jié)果表明，SiC功率器件比硅基功率器件具有卓越的性能，在98 V/5 A輸出的轉(zhuǎn)換器中，500 kHz時的峰值轉(zhuǎn)換器效率接近400.16%。

介紹

高效率和高功率密度一直是開關(guān)模式電源的持續(xù)需求[1]。寬帶隙（WBG）功率器件（如碳化硅（SiC）器件）的技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用使其成為各種應(yīng)用中傳統(tǒng)硅（Si）器件的有前途的替代品。由于其優(yōu)異的開關(guān)速度和低開關(guān)損耗以及導(dǎo)通電阻（RDS_ON）的低溫依賴性，可以實現(xiàn)更高的效率、更高的功率密度以及更高的魯棒性和可靠性[2-5]。這項工作將展示SiC MOSFET在6.6 kW DC/DC轉(zhuǎn)換器中在500 kHz至1.5 MHz下的性能。高頻操作的主要優(yōu)點是變壓器和EMI濾波器更小，變壓器中集成了諧振電感器，這進一步減小了轉(zhuǎn)換器的尺寸。與傳統(tǒng)的 100 kHz – 200 kHz DC/DC 轉(zhuǎn)換器相比，以 500 kHz 運行的電路的磁性部件體積和重量減少了 50%，LLC 轉(zhuǎn)換器（98V/5A 輸出）的峰值效率接近 400.16%。由于ZVS引起的串?dāng)_嚴(yán)重得多，SiC MOSFET即使在沒有負偏置驅(qū)動電壓的情況下也能可靠運行，從而降低了驅(qū)動電路成本。本文將介紹高頻操作的實用設(shè)計指南，例如PCB布局，磁芯材料和氣隙選擇，繞組線尺寸和結(jié)構(gòu)，諧振電容器選擇等，以及測試結(jié)果。

圖1： 簡化的LLC DC/DC諧振轉(zhuǎn)換器，帶用于輸出整流器的二極管。

高頻LLC直流/直流轉(zhuǎn)換器的仿真

使用LTspice進行了仿真，以研究SiC MOSFET的性能以及影響轉(zhuǎn)換器效率的因素。無花果。圖1所示為全橋LLC DC/DC轉(zhuǎn)換器的簡化原理圖。在 500 kHz 開關(guān)頻率和磁化電感 Lm = 30 μH 時，四個初級開關(guān)的模擬總功率損耗為 80.24 W（每個為 20.06 W），由于所有初級開關(guān)的 ZVS 導(dǎo)通，輸出整流器二極管的總效率達到 98.11%。

較大的磁化電感Lm可以降低磁化電流，降低初級開關(guān)的導(dǎo)通損耗;但是，Lm 的值還需要提供足夠的磁化電流，以使漏源電容完全放電，并確保主開關(guān) ZVS 在死區(qū)時間內(nèi)導(dǎo)通。因此，Lm 應(yīng)滿足 （1） [6]。

其中，td是上下開關(guān)的兩個柵極驅(qū)動信號之間的死區(qū)時間，fs是開關(guān)頻率，CTotal是總電容，包括初級開關(guān)的漏源電容、PCB的寄生電容和次級側(cè)二極管的反射電容。對于給定的死區(qū)時間td，可以基于（1）優(yōu)化設(shè)計Lm，并且可以實現(xiàn)正常工作時的高效率。

設(shè)計注意事項

有限責(zé)任公司變壓器設(shè)計

使用（1）計算最大磁化電感后，高頻操作時需要仔細考慮磁芯材料，氣隙和導(dǎo)線尺寸，否則會導(dǎo)致極端的功率損耗，導(dǎo)致變壓器因過熱而意外故障。在適用于高頻的磁芯材料中，Acme 的 P61 因其低功率損耗和易于獲得的磁芯形狀而被選中，適用于開關(guān)頻率范圍為 500 kHz 至 1MHz 的高功率應(yīng)用。PQ50/28內(nèi)核用于初始測試。初級繞組（φ0.05mm × 360 ×4）和次級繞組（φ0.05mm × 3400 × 32 TIW）均采用利茲線，每根繞組 9 圈。為了減少氣隙附近邊緣磁通量引起的銅損，使用了三個分布氣隙而不是一個大氣隙，如圖所示。2.

印刷電路板布局

PCB 布局在 EMI、信號完整性以及電路效率和操作方面起著至關(guān)重要的作用，尤其是對于高頻 LLC 轉(zhuǎn)換器。無花果。圖3顯示了LLC轉(zhuǎn)換器的實驗PCB（版本1和版本2）中存在的寄生電容。Ver. 1 PCB采用大面積銅區(qū)域完成，旨在減少PCB走線的功率損耗并消除電流環(huán)路的磁場;然而，表I所示的大寄生電容是由于不同銅層之間的重疊面積大而產(chǎn)生的。Ver. 2 PCB的銅要小得多，走線重疊區(qū)域也小得多，因此寄生電容顯著降低。寄生電容是使用手持式LRC儀表在裸PCB上測量的（沒有填充任何部件）。在LLC電路中，開關(guān)（CP1-CP4）、變壓器繞組（CP8-CP10）和初級側(cè)中點（CP11）上的大寄生電容將導(dǎo)致不希望的效率下降（如表0所示，測量出8.26%的壓降和1 W的功率損耗）。因此，需要在銅損降低和寄生效應(yīng)之間做出權(quán)衡。

表1 測得的寄生電容（單位：pF）和性能比較

圖2：具有漏感的薄型變壓器（PQ50/28 P61），用于諧振電感器：（a）具有分布式氣隙的磁芯，以及（b）實驗變壓器原型。

圖3：PCB上的寄生電容。

實驗結(jié)果

無花果。圖4顯示了使用TO-128-3封裝的SiC MOSFET（C3M0060065D，60 mΩ650 V）的初級開關(guān)和用于輸出整流器的TO-247封裝的SiC二極管（C3D6A，10065 A/10 V）的原型圖片。由于高頻工作，諧振電感器使用主變壓器的漏感（650μH），無需外部電感器。基于 TI DSP 的控制卡 （TMDSCNCD220C） 用于生成開環(huán)操作或閉環(huán)操作所需的柵極驅(qū)動信號，以調(diào)節(jié)輸出電壓。輔助電源（Wolfspeed的CRD-1DD280049P）為控制電路和柵極驅(qū)動器供電。

圖4：高頻LLC轉(zhuǎn)換器原型照片。

無花果。圖5顯示了400V/16A DC輸出的測量效率與開關(guān)頻率的關(guān)系。最佳開關(guān)頻率范圍為 500 kHz 至 650 kHz，效率不會大幅下降。隨著開關(guān)頻率的增加，效率的降低主要是由于LLC變壓器[7] - [9]中頻率相關(guān)的銅損和鐵芯損耗以及PCB走線損耗的增加。柵極驅(qū)動導(dǎo)致的測得功率損耗從2 kHz增加到2 MHz增加了500.1W，而每個MOSFET的功率損耗增加了3.5W（模擬從20.06 W增加到23.56 W）。無花果。圖6顯示了開環(huán)操作中效率與輸出功率的關(guān)系圖。在半負載（~98 kW）下可實現(xiàn)約5.3%的峰值效率。無花果。圖7顯示了初級側(cè)上部開關(guān)捕獲的柵極-源極和漏極-源極波形，以及550 kHz和400 V輸入下的初級側(cè)諧振電流波形。

還對初級側(cè)開關(guān)的硅基功率器件（英飛凌的IPW60R70CFD7，57mΩ600V）進行了比較測試。與硅基MOSFET相比，基于SiC的Wolfspeed器件C3M0060065D的導(dǎo)通電阻隨著結(jié)溫的升高而增加要小得多。無花果。圖8顯示了這兩個器件的導(dǎo)通電阻與溫度的關(guān)系圖。SiC 器件在 1°C 時的歸一化導(dǎo)通電阻為 3.150，而硅基器件的歸一化導(dǎo)通電阻為 2.3。無花果。圖9顯示了不同功率器件的效率與輸出功率的關(guān)系圖。硅基MOSFET在高功率下的效率降低了1%，并且由于導(dǎo)通電阻隨溫度而顯著增加，并且開關(guān)損耗更高，因此在相同的散熱下進入熱失控狀態(tài)。

圖5：效率與開關(guān)頻率的關(guān)系圖

圖6：SiC器件的效率與輸出功率的關(guān)系圖。

圖7：在10 kHz下捕獲的柵源電壓[黃色跡線：100 V/格]、漏源電壓[綠色跡線：25 V/格]和初級電流[紅色跡線：500 A/格]的波形，時間標(biāo)度為500 ns/格。

圖8：隨著結(jié)溫的升高，歸一化導(dǎo)通電阻：紅色跡線 — 基于 Si 的器件，黑色跡線 — 基于 SiC 的跡線。

圖 9：550 kHz 和 390 V 輸入下硅基和碳化硅基 MOSFET 的效率與輸出功率的關(guān)系圖。

圖 10：捕獲的柵極-源極電壓 [黃色跡線：10 V/格]、漏源電壓 [綠色跡線：100 V/格] 和初級電流 [紅色跡線：25 A/格] 的波形，無負電壓，用于 500 kHz 時關(guān)斷 MOSFTE，時間標(biāo)度為 500 ns/div。

圖 11：帶負驅(qū)動和不帶負驅(qū)動時的效率與輸出功率的關(guān)系圖。

對于半橋或全橋電路中使用的MOSFET的關(guān)斷，通常建議使用負柵極驅(qū)動電壓（C3M4D為-3V~-006065V），以防止快速開關(guān)器件因高dv/dt引起的串?dāng)_而導(dǎo)致的錯誤導(dǎo)通。然而，在LLC電路中，所有開關(guān)都在零電壓下通過軟開關(guān)導(dǎo)通，因此dv/dt要低得多，并且看不到嚴(yán)重的串?dāng)_。因此，可能不需要用于開關(guān)關(guān)斷的負電壓來降低驅(qū)動電路的復(fù)雜性和成本。無花果。圖10顯示了捕獲的波形，沒有柵極驅(qū)動的負電壓。沒有觀察到異常的柵極驅(qū)動信號，從圖中沒有看到明顯的效率差異。11.

結(jié)論

一款帶有碳化硅 MOSFET 和集成磁性元件的 LLC 諧振 DC/DC 轉(zhuǎn)換器已經(jīng)推出，并在 500 kHz – 1.5MHz 下進行了全面測試。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，仔細的PCB布局和變壓器設(shè)計對于實現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率至關(guān)重要。峰值效率超過98%，功率密度為128 W/in3。測試效率數(shù)據(jù)以及捕獲的波形證明了碳化硅（SiC）MOSFET在比傳統(tǒng)硅基器件更高的頻率下工作的卓越性能。此外，測試表明，由于ZVS引起的串?dāng)_要小得多，因此SiC MOSFET即使在沒有負驅(qū)動電壓的情況下也能可靠地運行，以關(guān)閉諧振LLC拓撲中的功率器件，從而降低了驅(qū)動復(fù)雜性和成本。這些寬帶隙器件為各種應(yīng)用中的高效率和高功率密度功率轉(zhuǎn)換提供了更大的機會。未來的工作將把平面磁性元件與表面貼裝功率器件相結(jié)合，以實現(xiàn)更高功率密度轉(zhuǎn)換器的設(shè)計。

審核編輯：郭婷