sic mosfet在高频率高功率密度功率转换器中的应用 -凯发app官网登录

碳化硅器件可实现更高效率与功率密度

由于碳化硅器件具有出色的开关速度和较低的开关损耗，以及导通电阻（r_{ds_on}）的低温依赖性，因此可以实现更高的效率、更高的功率密度、以及更高的稳固性和可靠性。

经过研究显示，在500khz到1.5mhz下，sic mosfet在6.6kw dc/dc转换器中的性能表现极为优异。高频率操作的主要优点是变压器和emi滤波器更小，而且变压器中集成了谐振电感，这进一步减小了转换器的尺寸。与传统的100khz - 200khz dc/dc转换器相比，在开关频率较高的情况下，llc变压器的漏电感可用作谐振电感，在500khz下运行的电路磁性组件的体积和重量减少了50%，磁性组件的功率损耗减少30%，llc转换器（400v/16a输出）的峰值效率接近98.5%。由于zvs（zero voltage switch，零电压开关）产生的串扰要小得多，因此sic mosfet即使在没有负偏置驱动电压的情况下也可以可靠运行，从而降低了驱动电路成本。此类转换器可用于母线转换器、电动汽车充电机、服务器电源和储能系统。

在利用ltspice对sic mosfet的性能以及影响转换器效率的因素进行仿真研究时发现，当开关频率为500khz，磁化电感l_m = 30 mh时，四个初级开关的仿真总功耗为80.24w（每个20.06w），由于所有主开关的zvs导通，二极管作为输出整流器，总效率达到98.11%。

llc变压器的设计权衡

在进行llc变压器的设计时，在计算出最大磁化电感后，进行高频率操作时，需要仔细考虑磁芯材料、气隙和导线尺寸，否则会造成极大的功率损耗，导致变压器因过热而发生意外故障。在适用于高频率的磁芯材料中，可选择acme的p61，因为它的功率损耗低，而且易于获得用于大功率应用的磁芯形状，开关频率范围从500khz到1mhz。

在pcb的设计方面，pcb布局对emi、信号完整性以及电路效率和操作起着至关重要的作用，尤其是对于高频率llc转换器而言。pcb可采用较大面积的铜片，目的是为了减少pcb线路的功率损耗和消除电流回路的磁场，但是，由于不同铜层之间存在较大面积的重叠，因此会产生较大寄生电容。若将pcb的铜线和迹线重叠区域缩小，其产生的寄生电容将大大降低。因此，需要在降低铜损和寄生效应之间进行权衡。

sic基功率器件具有比硅基器件更高的效率

在400v/16a直流输出下，测量效率与开关频率的关系，在最佳开关频率范围为500khz到650khz时，效率无明显下降。随着开关频率的增加，效率的下降主要是由于llc变压器中与频率相关的铜损和磁芯损耗增加，以及pcb线路损耗。频率从500khz增加到1mhz时，栅极驱动导致的功耗增加了2.2w，而每个mosfet的功耗增加了3.5w（仿真时从20.06w增加到23.56w），在半负载（约3kw）时，可实现约98.5%的峰值效率。

此外，经过与初级侧开关的硅基功率器件（英飞凌的ipw60r70cfd7，57mw/600v）进行了对比测试。与硅基mosfet相比，cree推出的sic基器件c3m0060065d的导通电阻随结温升高而增加的幅度要小得多。在150℃时，sic器件的归一化导通电阻为1.3，而硅基器件则达到2.3。硅基mosfet由于其导通电阻随温度的升高而显着增加，开关损耗较大，在高功率时效率降低1%，在相同的散热条件下已进入热失控状态。

对于在半桥或全桥电路中使用的mosfet的关断，通常建议使用负栅极驱动电压（对于c3m006065d为-3v~-4v），以防止因高dv/dt引起的串扰而导致快速开关器件的误导通。但是，在llc电路中，所有开关都是在零电压下通过软开关导通的，所以dv/dt要低得多，不会发生严重的串扰。因此，可以不需要开关关断的负电压，以降低驱动电路的复杂度和成本。

sic mosfet在高功率密度应用极具发展机会

采用sic mosfet和集成磁性组件的llc谐振dc/dc转换器，在经过500khz - 1.5mhz范围内进行了全面测试之后，可以发现精心设计的pcb布局和变压器是实现高转换效率的关键。在功率密度为128w/in³的情况下，获得了超过98%的峰值效率。从测试效率数据和捕获的波形表明，sic mosfet在比传统硅基器件高得多的频率下操作时具有优越的性能。

此外，经过测试表明，在谐振llc拓扑中，由于zvs引起的串扰较小，即使在没有用于关断功率器件的负驱动电压的情况下，sic mosfet也能够可靠地操作，因此降低了驱动的复杂度和成本。

这些宽带隙器件在各种应用中为高效率、高功率密度的功率转换提供了前所未有的机会，未来的研究将把平面磁性组件与表面贴装功率器件结合起来，以实现更高功率密度转换器的设计。

结语

随着sic基功率器件的发展逐渐成熟，有越来越多变压与功率转换应用采用sic mosfet，其具备转换效率高、发热低、体积小等优势，市场接受度越来越高。cree推出的sic mosfet器件具有优异的功率转换效能，将会是相关电源产品与应用的首选之一。

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